积分号下的极限

设 $f:\bbR\to\bbR$ 是有界连续函数, 求 $\dps{\lim_{t\to 0^+}\int_{\bbR} \frac{t}{t^2+x^2}f(x)\rd x}$.

 

解答:  设 $\dps{M=\sup|f|<+\infty}$. 由 $f$ 在 $0$ 连续知对任意固定的 $\ve>0$, 存在 $\delta>0$, 使得当 $|x|<\delta$ 时, $\dps{|f(x)-f(0)|<\frac{\ve}{2\pi}}$. 又对该 $\delta>0$, 由 $\dps{\lim_{t\to 0^+}\arctan \frac{\delta}{t}=\frac{\pi}{2}}$ 知 $$\bex \exists\ T>0,\st 0<t<T\ra \frac{\pi}{2}-\arctan \frac{\delta}{t}<\frac{\ve}{M\delta}. \eex$$ 于是当 $0<t<T$ 时, $$\beex \bea &\quad \sev{\int_{\bbR} \frac{t}{t^2+x^2}f(x)\rd x-\pi f(0)}\\ &\leq\int_{\bbR} \frac{t}{t^2+x^2}|f(x)-f(0)|\rd x\\ &=\int_{|x|\geq \delta}+\int_{|x|\leq\delta} \frac{t}{t^2+x^2}|f(x)-f(0)|\rd x\\ &\leq 2M\int_{|x|\geq \delta}\frac{t}{t^2+x^2}\rd x +\frac{\ve}{2\pi}\int_{|x|\leq\delta}\frac{t}{t^2+x^2}\rd x\\ &=4M\int_\delta^\infty \frac{1}{1+\sex{\frac{x}{t}}^2}\rd \frac{x}{t} +\frac{\ve}{\pi}\int_0^\delta \frac{1}{1+\sex{\frac{x}{t}}^2}\rd \frac{x}{t}\\ &=4M\sex{\frac{\pi}{2}-\arctan \frac{\delta}{t}} +\frac{\ve}{\pi}\arctan \frac{\delta}{t}\\ &<\frac{\ve}{2}+\frac{\ve}{2}\\ &=\ve. \eea \eeex$$ 故 $$\bex \lim_{t\to 0^+}\int_{\bbR} \frac{t}{t^2+x^2}f(x)\rd x=\pi f(0). \eex$$  

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