7-4 反常积分0525
反常积分的几种计算方法
反常积分的几种计算方法目录摘要 (1)关键词 (1)Abstract (1)Keywords (1)0 前言 (1)1反常积分的定义 (1)1.1无穷积分的定义 (1)1.2 瑕积分的定义 (2)2 反常积分的计算方法 (3)2.1利用Newton—Leibniz公式计算反常积分…………………………………………32.2利用变量替换法计算反常积分 (3)2.3利用分部积分法计算反常积分 (5)2.4利用分段积分自我消去法计算反常积分 (7)2.5利用方程法计算反常积分 (7)2.6利用级数法计算反常积分 (9)2.7利用待定系数法计算反常积分 (10)结束语 (11)参考文献…………………………………………………………………⎰=+∞→uau Jdx x f )(lim ,)1(则称此极限J 为函数f 在[)+∞,a 上的无穷限反常积分(简称无穷积分)，记作⎰+∞=adxx f J )(,)1('并称⎰+∞adx x f )(收敛.如果极限)1(不存在,为方便起见,亦称⎰+∞adx x f )(发散.类似地,可定义f 在(]b ,∞-上的无穷积分：⎰⎰-∞→∞-=buu bdxx f dx x f )(lim )(.)2(对于f 在()+∞∞-,上的无穷积分,它用前面两种无穷积分来定义：dxx f dx x f dx x f aa ⎰⎰⎰+∞∞-+∞∞-+=)()()(.)3(1.2瑕积分的定义定义2设函数f 定义在区间(]b a ,上,在点a 的任一右领域上无界,但在任何内闭区间[](]b a b u ,,⊂上有界且可积.如果存在极限⎰=+→bua u Jdx x f )(lim ,)4(则称此极限为无界函数f 在(]b a ,上的反常积分,记作⎰=badxx f J )(,)4('并称反常积分⎰b adx x f )(收敛.如果极限)4(不存在,这时也说反常积分⎰badx x f )(发散.在定义中,被积函数f 在点a 近旁是无界的,这时点a 称为f 的瑕点,而无界函数反常积分⎰badx x f )(又称为瑕积分.类似地,可定义瑕点为b 时的瑕积分：⎰⎰-→=uabu badx x f dx x f )(lim )(.)5(其中f 在[)b a ,有定义,在点b 的任一左领域上无界,但在任何[][)b a u a ,,⊂上可积.若f 的瑕点()b a c ,⊂,则定义瑕积分dx x f dx x f dx x f bcc aba⎰⎰⎰+=)()()(=⎰⎰+-→→+bvcv u acu dx x f dx x f )(lim )(lim .)6(其中f 在[)(]b c c a ,,⋃上有定义,在点c 的任一领域上无界,但在任何[][)c a u a ,,⊂和[](]b c b v ,,⊂上都可积.当且仅当)6(式右边两个瑕积分都收敛时,左边的瑕积分才是收敛的.又若b a ,两点都是f 的瑕点,而f 在任何[]()b a v u ,,⊂上可积,这时定义瑕积分dx x f dx x f dx x f bcc aba⎰⎰⎰+=)()()(=⎰⎰-+→→+vcbv cuau dx x f dx x f )(lim )(lim , )7( 其中c 为()b a ,上任一实数.同样地,当且仅当)7(式右边两个瑕积分都收敛时,左边的瑕积分才是收敛的.2反常积分的计算方法在计算反常积分时有三大基本方法：Newton —Leibniz 公式、利用变量替换、利用分部积分法.设dx x f ba⎰)(是反常积分, b 为唯一的奇点(b 为有限数,或∞+),计算dx x f ba⎰)(：2.1利用Newton —Leibniz 公式计算反常积分若)(x f 在[)b a ,连续,且)(x F 为)(x f 的原函数,则)()0(|)()(0a Fb F x F dx x f b a ba--==-⎰.)8(例1 计算⎰-b apa x dx)(的值.解： pa x x f )(1)(-=在(]b a ,上连续,从而在任何[](]b a b u ,,⊂上可积,ax =为其瑕点，故⎰⎰-=-+→b u pa ub ap a x dx a x dx )(lim)(⎪⎩⎪⎨⎧=---≠-----=⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-≠--=----⎰.1),ln()ln(,1,1)(1)(.1,)ln(,1,1)()(111p a u a b p p a u p a b p a x p pa x a x dx pp bu bu p b u p⎪⎩⎪⎨⎧≥∞<--=-=--→⎰⎰+.1,,1,1)()(lim )(1p p p a b a x dx a x dx pb u p a u b a p2.2利用变量替换法计算反常积分若)(t ϕ在[)βα,上单调,有连续的导数)(t ϕ',b a a =-=)0(,)(βϕϕ(β为有限数或无穷大),则⎰⎰'=βαϕϕdtt t f dx x f ba)())(()(.(9) 例2 计算⎰--bax b a x dx))((2的值.解：令θθ22sin cos b a x +=则θθθθcos sin 2sin cos 2b a dx +-=,θθθθθθθ2222222sin )(sin sin sin )1(cos sin cos a b b a b a a b a a x -=+-=+-=-+=-θθθθθθθ2222222cos )(cos cos cos )sin 1(sin cos a b a b a b b a b x b -=-=--=--=-πθθθθθθππ24cos sin )(cos sin )(22))((22020==--=--⎰⎰⎰d a b d a b x b a x dx ba.例 3 证明等式dt ab t f a dx x b ax f ⎰⎰+∞+∞+=+020)4(1)(,其中0,>b a (假设二积分有意义).分析:比较该等式的两边,我们必须使得ab t xbax 42+=+, 因0,,>x b a ,此即要求ab t x b ax 422+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+,亦即 22t x b ax =⎪⎭⎫ ⎝⎛-.因此我们选取的变换如下： 证明：令t xbax =-, 此时ab t xbax 42+=+成立,因此可得 )4(212ab t t ax ++=，dt abt a ab t t dx 42422+++=.于是dt abt ab t t ab t f a dx x b ax f 44)4(21)(222000++++⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+⎰⎰⎰∞+∞-∞+, 在上式的右边的第一个积分里,令u t -=,⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++++++-++=+⎰⎰⎰∞+∞+∞+00222222044)4(44)4(21)(dt ab t ab u t ab t f du ab u u ab u ab u f a dx x b ax f 再将u 改写成t ,二积分合并,得dt ab t f a dx x b ax f ⎰⎰+∞+∞+=+020)4(1)(.因此该式得证.2.3利用分部积分法计算反常积分设)(),(x v v x u u ==在[)b a ,上有连续的导数,则⎰⎰⎰'-=='-bab a babadxx u x v x v x u udv dx x v x u )()()()()()(0.(10)例4 计算dx x x ⎰10ln 的值.解：⎰⎰=1021ln 21ln xdx dx x x )1ln (21102102dx xx x x ⎰⋅-⋅=41-=例5 计算积分dx x nx ⎰20cos ln 2cos π.解：(困难在于被积函数中有对数符号ln"",用分部积分法消去ln"")原式nx d x n2sin cos ln 2120⎰=πdx xx nx n x nx n ⎰--=2020cos )sin (2sin 21cos ln 2sin 21ππdx xxnx n ⎰=20cos sin 2sin 21π(我们看到,这里如果被积函数没有分母的x cos ,用积化和差公式,立即可以算出积分值.因此,我们希望设法应用公式∑=+=+nk kt t tn 12cos 21sin )12sin(将被积函数拆开).因为x n x nx x nx )12cos(cos 2cos sin 2sin +-=⋅,dx xx n dx nx n dx x x nx n ⎰⎰⎰+-=202020cos )12cos(2cos 21cos sin 2sin 21πππ, 第一个积分为0，第二个积分令t x -=2π,dx xxn n dx x x nx n ⎰⎰+-=2020cos )12cos(21cos sin 2sin 21ππdt ttn nn ⎰+-=-201sin )12sin(2)1(πdt kt nnk n ⎰∑⎪⎭⎫ ⎝⎛+-==-20112cos 212)1(πnn 4)1(1π--=.例6 计算⎰+∞∞-++nx x dx)22(2.解：()[]⎰⎰+∞∞-+∞∞-++=++n nx dxx x dx 11)22(22 ()⎰+∞∞-+=+=nx t tdt121()n nI tdt21202=+=⎰+∞,分部积分可建立n I 的递推公式: ()()()⎰⎰∞+++∞∞++--+=+=01220221211n n nn tdtnt tttdtI122+-=n n nI nI , 即n n I n n I 2121-=+. 21021π=+=⎰+∞t dt I ,2!)!22(!)!32(21425222321π⋅--=⋅⋅⋅--⋅--=n n I n n n n I n . 在计算n I 时我们也可以利用变量替换法进行求解,令θtan =t ,()()θθπd tdtI n nn ⎰⎰-∞+=+=202202cos 1,再直接引用Walls 公式2!)!22(!)!32(π⋅--=n n .利用分部积分法我们常常可以得到递推公式从而简化运算.除了上述的三种基本方法外，根据具体情况，经常用的还有下列几种方法： 2.4利用分段积分自我消去法计算反常积分在这种方法的计算中主要分为两步：第一步：将所需计算的积分区间进行分段；第二步：进行变量替换,通过变量替换可以将分段后的某些积分区间与其中的某些区间相抵消或者合并.例7 计算dx x x⎰+∞+021ln 2的值.解：dx x xdx x x dx x x ⎰⎰⎰+∞+∞+++=+12102021ln 21ln 21ln 2=)11ln 1ln (2122102dx x x x dx x x ⎰⎰∞++++=))1(111ln 1ln (212102xd xx dx x x ⎰⎰∞++++ ))(1ln 1ln (20121021t d t t dx x xxt ⎰⎰+++===))(1ln 1ln (2102102t d t tdx x x ⎰⎰+-+ =0通过上述计算我们可以发现这种方法可以省略很多计算,关键在于对积分区间的分段和变量替换要找到最合适的,否则适得其反. 2.5利用方程法计算反常积分使用方程法计算反常积分是分为两步：第一步：通过变量替换,将原积分进行变形;第二步：将原积分与变形后的积分相加,通过计算相加后的积分从而求出原积分.例8 计算积分⎰=20sin ln 2πxdx I .解：⎰⎰===402202sin ln 4sin ln 2ππtdt xdx I tx=⎰40cos sin 2ln 4πtdt t=)cos ln sin ln 2ln (4404040⎰⎰⎰++πππtdt tdt dt=))2sin(ln sin ln (42ln 4040⎰⎰-++⋅ππππdt t tdt)sin ln sin ln (42ln 42402⎰⎰-+=-=πππππudu tdt tu=⎰+20sin ln 42ln ππtdt=I 42ln +π通过解方程得：32ln π-=I .例9 计算积分dx x I ⎰+∞+=0412.解：dx x x x dx x I ⎰⎰∞+∞++=+=022241212 )1(12022x d x x ⎰+∞+-=dt tt xt ⎰∞+=+-=022112J dx x x =+=⎰∞+04212 则()dx xx J I I ⎰∞+++=+=0421222121 dx xx ⎰∞+++=04211 dx x x x ⎰∞+++=0222111 )1(11022x x d x x -+=⎰+∞ )1(2)1(102x x d xx -+-=⎰+∞ dt t xx t ⎰∞+∞---+=2121 dt t ⎰+∞+=02212+∞=02arctan2t22π=. 2.6利用级数法计算反常积分在运用级数法求反常积分时,关键在于积分区间进行分段,使所求的反常积分可以表示成级数的求和运算,从而简化运算.例10 证明[]⎪⎭⎫⎝⎛--+++=⎭⎬⎫⎩⎨⎧-∞→∞+⎰n n dx x x n ln 11211lim 111 .证明: (1) 当2>x 时,[]xx x x )1(111-≤-,由于dx x x ⎰+∞-1)1(1积分收敛,故[]dx x x ⎰∞+⎭⎬⎫⎩⎨⎧-111收敛. (2) [][]dx x x dx x x n n ⎰⎰⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=⎭⎬⎫⎩⎨⎧-+∞→∞+1111lim 11[][][][]dx x x dx x x dx x x dx x x n n n⎰⎰⎰⎰-⎭⎬⎫⎩⎨⎧-+⎭⎬⎫⎩⎨⎧-+⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=⎭⎬⎫⎩⎨⎧-13221111111111 dx x n dx x dx x n n ⎰⎰⎰-⎭⎬⎫⎩⎨⎧--+⎭⎬⎫⎩⎨⎧-+⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=13221111121111 dx x n n ⎰--+++=1111211 n n ln 11211--+++= .因此：[]⎪⎭⎫⎝⎛--+++=⎭⎬⎫⎩⎨⎧-∞→∞+⎰n n dx x x n ln 11211lim 111 .2.7利用待定系数法计算反常积分在使用待定系数法时通常先将有理分式化为部分分式,再通过待定系数求解,在使用这种方法时通常结合多种方法求解. 例11 计算积分⎰+∞++=1)()1(n x x x dxI n .解：(拆为部分分式)设nx A k x A x A x A n x x x n k ++++++++=++ 1)()1(110(n A A A ,,,10 为待定系数).将)()1(n x x x ++ 同乘等式两边.然后k x -=,得)(21)1()1)((1n k k k A k +-⋅⋅⋅-+--=)!(!1)1(k n k k--=!)1(n C k nk-= ),,2,1,0(n k =,其中)!(!!k n k n C kn -=于是dx k x n C I nk k n kn ⎰∑∞+=+-=10)1!)1((dx kx n C nk knk∑⎰=∞++-=011!)1( ∑=∞++-=n k kn k k x C n 01)ln()1(!1.注意到∑∑==⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=+-nk kn k n k knkx k x C k x C 001ln )1()ln()1(∑∑==⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+-⋅=n k nk kn k knkx k C C x 001ln )1()1(ln∑=→⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+-⋅=nk kn k nx k C x 001ln )1()11(ln (当+∞→x 时),因此 ∑=++-=n k kn k n k C n I 01)1ln()1(!1.结束语反常积分的计算方法灵活多变,对于任一问题都存在多种计算方法,我们在计算时要提取最简便的方法,除了上述的几种计算方法还有很多的计算方法需要我们去探究、归纳、总结,更重要的是我们要学会这些方法的灵活使用.参考文献:[1] 费定辉等,基米多继奇数学分析习题[M],山东:山东科技出版社,1990.[2] 同济大学应用数学系,高等数学[M],北京:高等教育出版社，2002.[3]刘玉莲,傅沛仁.数学分析讲义[M].第二版.北京:高等教育出版社,1996.43-47.[4]周建莹,李正元.高等数学解题指南[M].北京:北京大学出版社,2002.212-214.[5]数学分析第四版上册 .华东师范大学数学系编[M].高等教育出版社,2010.[6] Tom M.Apostol著. Mathematical Analysis[M]. 机械工业出版社,2004.[7] Zorich,. Mathematical. Analysis. [M]. Springer,2004.。
数学《反常积分》讲义
第十一章 反常积分1 反常积分概念一、问题提出定积分 1) 积分区间的有穷性2) 被积函数的有界性如果函数(被积函数)的积分区间为无穷区间或被积函数在积分区间上无界,应如何讨论它们的积分，这类积分称为反常积分(或广义积分，Cauchy-Riemann 积分, C-R 积分), 而上一章的定积分称为正常积分.例 1 (第二宇宙速度) 例 2 (流水时间)二、两类反常积分的定义定义1 设函数f 定义在无穷区间[,)a +∞上, 且在任何有限区间[,]a u 上可积, 如果存在极限lim()uau f x dx J →+∞=⎰, 那么称极限J 为函数f 在[,)a +∞上的无穷限反常积分(无穷积分)，记作()aJ f x dx +∞=⎰，并称()af x dx +∞⎰收敛, 有时也称f 在[,)a +∞上(Cauchy-Riemann )可积; 反之，若上述极限不存在, 则称()af x dx +∞⎰发散.注 1()af x dx +∞⎰收敛的几何意义：若f 在[,)a +∞上为非负连续函数，则介于曲线()y f x =，直线x a =及x 轴之间一块向右无限延伸的区域有面积J .注 2 类似可定义()lim()aauu f x dx f x dx -∞→-∞=⎰⎰()()()aaf x dx f x dx f x dx +∞+∞-∞-∞=+⎰⎰⎰lim()lim()uaauu u f x dx f x dx →+∞→-∞=+⎰⎰例 3 1) 讨论积分211dx x +∞+⎰，0211dx x -∞+⎰，211dx x +∞-∞+⎰的敛散性.2) 计算积分20125dx x x +∞++⎰.例4 讨论下列积分的敛散性.1) 11pdx x +∞⎰; 2) 21(ln )pdx x x +∞⎰.注3 设f 在[,)a +∞上连续，F 为f 的一个原函数，则()lim ()lim ()()()()uaau u f x dx f x dx F u F a F F a +∞→+∞→+∞==-=+∞-⎰⎰例 5 讨论sin axdx +∞⎰的敛散性注 4 ()f x dx +∞-∞⎰为两个非正常积分之和，而非lim()uuu f x dx -→+∞⎰.定义 2 设函数f 定义在区间(,]a b 上，在点a 的任一右邻域内无界, 但在任意内闭区间[,](,]b a b α⊂上有界且可积. 如果存在极限lim ()bu u af x dx J +→=⎰，那么称此极限为无界函数f 在(,]a b 上的反常积分，记作()baJ f x dx =⎰，并称反常积分()baf x dx ⎰收敛，如果上述极限不存在，则称反常积分()baf x dx ⎰发散.在上述定义中函数f 在点a 的附近无界, 我们称a 为f 的瑕点, 而无界函数的反常积分()ba f x dx ⎰也称为瑕积分.注 5 1) 类似可定义瑕点为b 的瑕积分()lim ()buaau bf x dx f x dx -→=⎰⎰其中f 在b 的任一左邻域内无界，且在任何内闭区间[,][,)a a b β⊂上可积.2) 若,a b 都为f 的瑕点，且在任一内闭子区间[,](,)u v a b ⊂上可积，此时可定义瑕积分()()()bc b aacf x dx f x dx f x dx =+⎰⎰⎰lim ()lim ()c vucu av bf x dx f x dx +-→→=+⎰⎰其中c 为(,)a b 内的任一实数，当且仅当右式两个瑕积分都收敛时，左式的瑕积分收敛.3) 若f 的瑕点(,)c a b ∈，则定义瑕积分()()()bc b aacf x dx f x dx f x dx =+⎰⎰⎰lim ()lim ()u bavu cv cf x dx f x dx +-→→=+⎰⎰其中f 在[,)(,]a c c b ⋃上有定义,在c 的任一邻域内无界, 且在任何闭子区间[,][,)a u a c ⊂, [,](,]v b c b ⊂都可积，当且仅当右边两个瑕积分收敛时, 左边的瑕积分收敛.例 6 1) 计算瑕积分1⎰2) 讨论瑕积分1pdxx ⎰的敛散性(p >0)3) 讨论瑕积分0p dxx+∞⎰的敛散性(p >0) 4) 24=⎰5) 1⎰三、两类反常积分的关系设()f x 连续，b 为瑕点，则11211()()t b xbab af x dx f b dt t t=-+∞-=-⎰⎰瑕积分可转化为无穷积分设0a >，1121()()t xaadtg x dx g t t =+∞=-⎰⎰12011()a g dt t t =⎰无穷积分可转化为瑕积分由此可见，瑕积分与无穷积分可相互转化，因而它们有平行的理论和性质. 例 7 讨论下列反常积分是否收敛 1) 2x xe dx +∞--∞⎰2) cos x e xdx +∞--∞⎰3) 2⎰4) 1(1)(ln )pdxp x x >⎰5) 1⎰例 8 举例说明瑕积分()b af x dx ⎰收敛，2()baf x dx ⎰未必收敛.例 9 1) 证明：若()af x dx +∞⎰收敛，且lim ()x f x A →+∞=，则0A =;2) 举例说明: ()af x dx +∞⎰收敛,f 在[,)a +∞上连续,未必有lim ()0x f x →+∞=成立.例 10 若f 在[,)a +∞上可导，且()af x dx +∞⎰与()af x dx +∞'⎰收敛，则lim ()0x f x →+∞=.2 无穷积分的性质与收敛判别一、 无穷积分性质由()af x dx +∞⎰收敛lim ()lim()duau u F u f x dx →+∞→+∞⇔=⎰存在, 根据函数极限收敛的Cauchy 准则，我们有定理 1 (Cauchy 准则) 无穷积分()af x dx +∞⎰收敛⇔120,,,:G a u u G ε∀>∃≥∀>1221()()()u u u aau f x dx f x dx f x dx ε-=<⎰⎰⎰.性质1 (线性性质) 若1()af x dx +∞⎰和2()af x dx +∞⎰都收敛, 12,k k 为任意常数, 则1122[()()]ak f x k f x dx +∞+⎰也收敛，且11221122[()()]()()aaak f x k f x dx k f x dx k f x dx +∞+∞+∞+=+⎰⎰⎰.性质2 (区间可加性) 若f 在任何有限区间[,]a u 上可积，b a >，则()af x dx +∞⎰与()bf x dx +∞⎰同敛散，且()()()b aabf x dx f x dx f x dx +∞+∞=+⎰⎰⎰.定理2 无穷积分()af x dx +∞⎰收敛0,,:()uG a u G f x dx εε+∞⇔∀>∃≥><⎰当.性质 3 (绝对收敛) 若f 在任何有限区间[,]a u 上可积，且()af x dx +∞⎰收敛，则()af x dx +∞⎰也收敛，且()()aaf x dx f x dx +∞+∞≤⎰⎰.定义1 若()af x dx +∞⎰收敛, 则称()af x dx +∞⎰绝对收敛.性质3 说明绝对收敛的无穷积分其本身一定收敛，而反之未必成立. 我们称收敛而不绝对收敛的无穷积分为条件收敛的无穷积分.性质4 (换元) 设:[,)[,)a ϕα+∞→+∞是光滑严格单调映射,且()a ϕα=，lim ()t t ϕ→+∞=+∞. 若()af x dx +∞⎰收敛，则(())()f t t dt αϕϕ+∞'⎰收敛，且()(())()af x dx f t t dt αϕϕ+∞+∞'=⎰⎰.性质5 (分部积分) 设,f g 为[,)a +∞上的光滑函数, 且lim ()()x f x g x →+∞⋅存在, 则()()af xg x dx +∞'⋅⎰与()()af xg x dx +∞'⎰同敛散，且它们收敛时有等式()()()()()()aaaf xg x dx f x g x f x g x dx +∞+∞+∞''⋅=⋅-⋅⎰⎰其中()()lim ()()()()ax f x g x f x g x f a g a +∞→+∞⋅=-.二、 无穷积分判别法1、比较判别法 (绝对收敛判别法)定理 3 (比较法则) 设定义在[,)a +∞上的两个函数f 和g 在任何有限区间[,]a u 上可积，且()()f x g x ≤，[,)x a ∈+∞. 则i) 当()ag x dx +∞⎰收敛时, 必有()af x dx +∞⎰收敛;ii) 当()af x dx +∞⎰发散时, 必有()ag x dx +∞⎰发散.例 1 判断积分22sin(1)5x dx x+∞++⎰的敛散性.1) Cauchy 判别法推论1 设f 定义在[,)(0)a a +∞>上，且在任何有限区间[,]a u 上可积，则有i) 当1(),[,)1p f x x a p x≤∈+∞>且时，()a f x dx +∞⎰收敛. ii) 当1(),[,)1p f x x a p x≥∈+∞≤且时，()a f x dx +∞⎰发散.2) 比较原则的极限形式推论 2 设f 和g 都在任何区间[,]a u 上可积, ()0g x >, 且()lim ()x f x c g x →+∞=. i) 当0c <<+∞时，()af x dx +∞⎰与()ag x dx +∞⎰同敛散;ii) 当0c =时，若()ag x dx +∞⎰收敛，则()af x dx +∞⎰收敛;iii) 当c =+∞时，若()ag x dx +∞⎰发散，则()af x dx +∞⎰发散.推论 3 设f 定义在[,)(0)a a +∞>上，且在任何有限区间[,]a u 上可积，且lim ()p x x f x λ→+∞=，则有i) 当1p >，0λ≤<+∞时，()af x dx +∞⎰收敛; ii) 当1p ≤，0λ<≤+∞时，()af x dx +∞⎰发散.例 2 讨论下列无穷积分的敛散性:1) 1x x e dx α-⎰2)21+∞⎰2、 Dirichlet 和Abel 判别法定理4 (Dirichlet ) 若()()ua F u f x dx =⎰在[,)a +∞上有界, ()g x 在[,)a +∞上x →+∞时单调趋于0, 则()()a f x g x dx +∞⋅⎰收敛.定理5 (Abel ) 若()af x dx +∞⎰收敛, ()g x 在[,)a +∞上单调有界, 则()()af xg x dx +∞⋅⎰收敛.定理6 (Dirichlet- Abel ) 设无穷积分()()()aaf x dx u x dv x +∞+∞=⎰⎰, 其中()u x单调, 且(),()u x v x 中一个有界, 另一个在x →+∞时趋于0, 则()af x dx +∞⎰收敛.例 3 讨论无穷积分1sin p xdx x +∞⎰与1cos (0)px dx p x +∞>⎰的敛散性.例 4 证明下列积分条件收敛.1) 21sin x dx +∞⎰,21cos x dx +∞⎰;2) 41sin x x dx +∞⋅⎰;3)1+∞⎰. 例 5 若()af x dx +∞⎰绝对收敛. 且lim ()0x f x →+∞=，则2()af x dx +∞⎰必收敛.例6 设,,f g h 为[,)a +∞上三个连续函数，且()()()h x f x g x ≤≤. 证明：如果()ah x dx +∞⎰，()ag x dx +∞⎰收敛，那么()af x dx +∞⎰亦收敛.例 7 证明: 若f 在[,)a +∞上一致连续，且()af x dx +∞⎰收敛，则lim ()0x f x →+∞=.例 8 讨论下列无穷积分的敛散性1) 1ln n xdx x+∞⎰2) 31arctan 1x xdx x +∞+⎰3)21x edx +∞-⎰4) 1ln(1)px dx x +∞+⎰5) 0ln(1)px dx p x+∞+ (>0)⎰6) 0xdx ⎰7)21cos x e xdx +∞-⎰8) 0sin arctan xxdx x+∞⎰例9 证明：若f 是[,)a +∞上的单调函数,()af x dx +∞⎰收敛,则lim ()0x f x →+∞=, 且1()()f x o x x= , →+∞.注: 由()lim 1()x f x g x →+∞=, ()ag x dx +∞⎰收敛, 推不出()af x dx +∞⎰收敛.3 瑕积分的性质与判别法一、 瑕积分的性质 (瑕点为x a =)定理1 瑕积分()ba f x dx ⎰收敛0,0,εδ⇔∀>∃>当12,(,)u u a a δ∈+时,2121()()()bbu u u u f x dx f x dx f x dx ε-=<⎰⎰⎰.性质1 设函数1f , 2f 的瑕点同为a ，1k ，2k 为常数，则当瑕积分1()baf x dx ⎰，2()baf x dx ⎰都收敛时，瑕积分1122[()()]bak f x k f x dx +⎰必收敛，且11221122[()()]()()bb baaak f x k f x dx k f x dx k f x dx +=+⎰⎰⎰.性质2 设函数f 的瑕点为x a =，(,)c a b ∈, 则瑕积分()baf x dx ⎰与()caf x dx ⎰同敛散且()()()b c b aacf x dx f x dx f x dx =+⎰⎰⎰, 其中()bcf x dx ⎰为定积分.性质3 若f 的瑕点为a , f 在(,]a b 的任一闭子区间[,]u b 上可积, 则当()baf x dx ⎰收敛时,()baf x dx ⎰必收敛且()()bbaaf x dx f x dx ≤⎰⎰.当()baf x dx ⎰收敛时，称()baf x dx ⎰为绝对收敛; 而称本身收敛但不绝对收敛的瑕积分为条件收敛的瑕积分.二、瑕积分判别法定理2 (比较原则) 定义在(,]a b 上的两个函数,f g , 瑕点同为a , 在任闭子区间[,](,]u b a b ⊂上可积，且()()(,]f x g x x a b ≤ ∈，则i) 当()bag x dx ⎰收敛时,()baf x dx ⎰必收敛 (从而()baf x dx ⎰也收敛) ;ii) 当()baf x dx ⎰发散时,()bag x dx ⎰发散.推论1 设f 定义在(,]a b 上，瑕点为a ，且在任何闭子区间[,](,]u b a b ⊂上可积，则 i) 当1()01()pf x p x a ≤, <<-时, ()baf x dx ⎰收敛;ii) 当1()1()pf x p x a ≥, ≥-时, ()baf x dx ⎰发散.推论2 若()0g x >，且()lim ()x af x cg x +→=, 则 i) 当0c <<+∞时,()b af x dx ⎰与()bag x dx ⎰同敛散;ii) 当0c =，()b ag x dx ⎰收敛时,()baf x dx ⎰收敛;iii) 当c =+∞，()b ag x dx ⎰发散时, ()b af x dx ⎰发散.推论3 在推论2的条件下，若lim()()p x ax a f x λ+→-=, 则 i) 01,0p λ<<≤<+∞时, ()baf x dx ⎰收敛;ii) 1,0p λ≥<≤+∞时, ()baf x dx ⎰发散.定理 3 (Dirichlet- Abel ) 设瑕积分()()()b baaf x dx u x dv x =⎰⎰有唯一奇点a ,其中()u x 单调, 且(),()u x v x 中一个有界, 另一个在x a +→时趋于0, 则()baf x dx ⎰收敛.例 1 讨论下列瑕积分的敛散性.1) 10⎰2) 21ln dx x⎰3) 130arctan 1xdx x -⎰4) 201cos mxdx xπ-⎰5) 1⎰6) 10⎰7) 20(,0)sin cos p q dxp q x xπ>⎰例 2 讨论反常积分1()1x x dx xα-+∞Φ=+⎰的敛散性.例 3 证明瑕积分20ln(sin )J x dx π=⎰收敛，且ln 22J π=-，同时利用上述结果证明：1) 2ln(sin )ln 22d ππθθθ=-⎰2) 0sin 2ln 21cos d πθθθπθ=-⎰三、反常积分与正常积分的区别1、 Riemann 积分 f 在[,]a b 上可积，则f 在[,]a b 上有界. 无穷积分 f 在[,)a +∞上可积(()af x dx +∞⎰收敛) f ⇒在[,)a +∞上有界.如4()sin f x x x =⋅ 或者 ,()0,n x nf x x n =⎧=⎨≠⎩.2、Riemann 积分 f 在[,]a b 上可积⇒()f x 在[,]a b 上可积，但反之未必, 故Riemann 积分是绝对型积分，而无穷积分 ()f x 在[,)a +∞上可积⇒f 在[,)a +∞上可积，但反之未必, 故Cauchy-Reimann 积分是非绝对型积分, 如sin (),[1,)xf x x x=∈+∞.3、Riemann 积分 ,f g 在[,]a b 上可积⇒f g ⋅在[,]a b 上可积, 而无穷积分 ,f g 在[,)a +∞上可积⇒f g ⋅在[,)a +∞上可积.例4 证明：1) 11111p p x x dx dx x x --+∞=++⎰⎰2) 12π<<⎰3) 设f 在[,)a +∞上连续0a b <<，若lim ()x f x k →+∞=，则()()((0))ln f ax f bx adx f k x b+∞-=-⎰例5 证明: 1) 设f 在[,)a +∞上非负连续, 若0()xf x dx +∞⎰收敛, 则0()f x dx +∞⎰也收敛.2) 设f 在[,)a +∞上连续可微且当x →+∞时,()f x 递减趋于0, 则()f x dx +∞⎰收敛⇔0()xf x dx +∞'⎰收敛.习 题 课例 1 论述题:1) 设f 在(,)-∞+∞上连续，且()f x dx +∞-∞⎰收敛，则()(),()()x x d d f t dt f x f t dt f x dx dx +∞-∞==-⎰⎰. 2) 积分0()f x dx +∞⎰收敛，则lim ()0x f x →+∞=.3) 积分()baf x dx ⎰收敛，则此积分可用和式公式01lim ()ni i T i f x ξ→=∑来计算.4) 若lim ()x f x A →+∞=存在，()af x dx +∞⎰收敛，则0A =.5) 若0()f x dx +∞⎰收敛，lim ()0x f x →+∞=，则2()af x dx +∞⎰必收敛.6) 若()af x dx A +∞=⎰，则lim()nan f x dx A →+∞=⎰，但反之不成立.7) 若()af x dx +∞⎰收敛,g 有界, 则()()af xg x dx +∞⎰收敛.8) 若lim ()AAA f x dx -→+∞⎰存在，则()f x dx +∞-∞⎰收敛.例 2 计算下列无穷积分: 1) 0()x n n I e x dx n N +∞-=∈⎰2) 21dxx x+∞++⎰3) (1)(ln )padxa x x +∞>⎰4) 24011x dx x +∞++⎰5) 31⎰6)1+∞⎰例 3 1) 设1()(2)x x x x ϕ+=-，求321()1()x dx x ϕϕ'+⎰;2) 已知01()cos x x dt tϕ=⎰，求(0)ϕ'.例 4 证明: 0cos 1xdx x+∞+⎰收敛, 且0cos 11xdx x+∞≤+⎰.例 5 讨论下列积分收敛性 1)2301dx x x x +∞+++⎰2)0cos (0)kx e xdx k +∞->⎰3)0ln(1)m x dx x +∞+⎰4)1+∞⎰5)20sin mx dx x +∞⎰6) 01m n x dx x +∞+⎰ 7) 10p x x e dx +∞--⎰ 8) 0cos (0)1n ax dx n x+∞≥+⎰。
高等数学课件5第四节 反常积分ppt
lim
t b
t a
f
(
x
)
dx
b
a
f (x) 在 [a , b) 上的反常积分(或瑕积分).
这时称反常积分
收敛;
否则, 称反常积分 发散.
定义6. 设函数 f ( x)在[a, b]上除点c (a c b)外连续,
点 c 为f (x)的瑕点.
若 瑕 积 分ac
f
(
解:
原式
1 p
0
td(e
pt
)
1 p
([te
pt
]0
e
0
pt dt )
a
udv
[uv]a
a
vdu
1 p
( lim te t
pt
0
[
1 p
e
pt
]0
)
0
1 p2
( lim e
t
pt
1)
1 p2
.
定义2. 设 f ( x)在(, b)上连续.
b
f
( x) dx
lim
t
tb
f
( x) dx
若极限存在,则称无穷限积分
2
1)3
]13
1
1
lim 3( x 1)3+ 3 3 3 4 lim 3( x 1)3
x1
x1
3(1 3 4 ).
例12.
讨
论
反
常
积
分
1 1
dx x2
的
收
敛
性.
解:
lim
x0
1 x2
,
x
0是
1 x2
的瑕点.
7反常积分——反常积分的概念和计算
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例6. 证明反常积分
当 q < 1 时收敛 ; q≥1
时发散 .
证: 当 q = 1 时,
ln
x
a
b a
当 q≠1 时
(x a)1q 1 q
b
a
(b a)1q 1 q
,
,
q 1 q 1
常义积分的极限
p 1 p 1
,
q 1
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说明: (1) 有时通过换元 , 反常积分和常义积分可以互 相转化 .
例如 ,
1 0
1
1 x2
x2
1 x2
dt
1 d(x 1x) 0 (x 1x)2 2
0 dt 2 t2
(2) 当一题同时含两类反常积分时, 应划分积分区间,
b 1
dx x2
lim b
1 x
b 1
lim 1 b
1 b
1
y
1 x2
A
1b
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定义1. 设 f (x)C[a, ), 取b a, 若
存在 , 则称此极限为 f (x) 的无穷限反常积分, 记作
这时称反常积分
若 a , b 都为瑕点, 则
b
a
f
(x)
dx
F
(b
)
F
(a
)
注意: 若瑕点 c (a,b), 则
反常积分
b
a
f (x)dx
a
b a
此时也称反常积分收敛. 否则称反常积分发散.
注意：反常积分发散时，仍用记号 f (x)dx表示. a 但只是形式上写出，不表数值.
4
例1计算反常积分
1
1 dx . x
解
由定义知： 1dx lim
1x
b
b 1dx 1x
lim(lnb ln1) lim ln b
1 0
1 xq
dx,当q<1时收敛，当
q
1
发散.
证
(1)
q 1,
1
0
1 xq
dx
1 0
1 x
dx
ln
x
1 0
,
(2) q 1,
1 0
1 xq
dx
x1q 1 1 q0
, 1 1 q
,
q q
1 1
因此当q<1时反常积分收敛，其值为
1
1
q
;
当 q 1 时反常积分发散.
19
三、小结
f (x)dx lim
1 dx. 1 x2
b
a
解
1 1 x2 dx
arctan
x
lim arctan b lim arctan a
πb π
a
( ) π.
22
9
例7
计算
x 1 x2dx.
解
x 1 x2 dx
c
1
x x
2
dx
x c 1 x2 dx
因为
cx 1 x2 dx
b
(这时称a是瑕点)，取
0,
如果极限 lim 0
反常积分概念
反常积分讨论的是无穷区间上的积 分和无界函数的积分，是定积分概念 的推广. 一、反常积分的背景 二、两类反常积分的定义
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一、反常积分的背景
在讨论定积分时有两个最基本的条件：积分区间 的有穷性; 被积函数的有界性. 但以下例子告诉我们有时我们需要考虑无穷区间
上的“积分”或无界函数的“积分”. 例1(第二宇宙速度问题）在地球表面垂直发射火 箭, 要使火箭克服地球引力无限远离地球, 试问初
lim f ( x ) A.
3. f ( x ) 在 [a, ) 上定义, 且
当
x
a
f ( x )dx 收敛时,是否必有 A 0?
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通常称a 为 f 的瑕点. 又称 a f ( x )dx 为瑕积分, 类似定义瑕点为 b 时的瑕积分
f ( x ) dx . a f ( x ) dx ulim a b
b
则称 f ( x )dx 发散.
a
a b
u a
b
b
u
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其中 f 在 [a, b) 有定义, 在 b 的任一左邻域内无界,
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类似定义
f ( x )dx , f ( x )dx ulim u
b b
f ( x )dx
a
f ( x )dx
a
f ( x )dx .
其中 a 是( ， ) 内任意一点 .
定义2 设函数 f 定义在 (a, b] 上, 在 a 的任意右邻
r
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当 r 时,其极限 mgR 就是火箭无限远离地
反常积分特点
反常积分特点
1. 反常积分啊，那特点之一就是它有时候就像个调皮鬼，会突然蹦出来给你个惊喜（或惊吓）呢！比如说在计算曲线与坐标轴围成的面积时，本来以为很简单，结果出现了无穷大，这多让人意外啊！
2. 它还有个特点，那简直就是不走寻常路呀！原本好好的积分，在某个区间上竟然会变得怪怪的，就像本来平坦的路突然出现个大坑（比如求收敛性的时候）！
3. 反常积分的这个特点可真让人又爱又恨呐，好比它会一下子打破你原本的认知（像原本积分好好的，结果到了无穷远处就变得不一样了）！
4. 哇塞，反常积分的特点里有一个就是超级能折腾人呢！就好像你满心欢喜地去算，结果发现它可复杂了（比如那种很难判断收敛与否的情况）！
5. 你知道吗，反常积分有个特点就像个神秘的家伙，总是藏着些让人捉摸不透的东西（比如一些奇异的函数出现时）！
6. 哎呀呀，反常积分的特点之一可是会让人头疼不已哟！就跟遇到一个特别棘手的问题一样（像是复杂的无穷限积分）！
7. 反常积分的这个特点真的是太特别啦，仿佛它在跟你捉迷藏一样（比如积分区间不固定的时候）！
8. 瞧瞧，反常积分的特点中这一个真是让人始料未及呀，好似突然杀出的程咬金（本来好好的，结果突然出现个无穷间断点）！
9. 总之，反常积分的特点那是多种多样啊，有的让人惊喜，有的让人头疼，但这就是它的魅力所在呀！我们得好好去研究它才行！。
高等数学第五章第五节反常积分的审敛法函数课件.ppt
只有各项都收敛时,
才可保证给定的积分收敛 .
3. 函数的定义及性质 .
思考与练习
P263 题1 (1), (2), (6), (7)
P264 题5 (1), (2)
作业 P263 1 (3), (4), (5), (8) 2 ; 3
由定义
例如
因此无穷限反常积分的审敛法完全可平移到无界函数
的反常积分中来 .
定理6. (比较审敛法 2)
瑕点 ,
有
有
利用
有类似定理 3 与定理 4 的如下审敛法.
使对一切充分接近 a 的 x ( x > a) .
定理7. (极限审敛法2)
则有:
1) 当
2) 当
例5. 判别反常积分
解:
利用洛必达法则得
根据极限审敛法2 , 所给积分发散 .
例6. 判定椭圆积分
散性 .
解:
由于
的敛
根据极限审敛法 2 , 椭圆积分收敛 .
类似定理5, 有下列结论:
例7. 判别反常积分
的敛散性 .
解:
称为绝对收敛 .
故对充分小
从而
据比较审敛法2, 所给积分绝对收敛 .
则反常积分
三、 函数
1. 定义
下面证明这个特殊函数在
一、无穷限反常积分的审敛法
定理1.
若ห้องสมุดไป่ตู้数
证:
根据极限收敛准则知
存在 ,
定理2 . (比较审敛原理)
且对充
, 则
证: 不失一般性 ,
因此
单调递增有上界函数 ,
说明: 已知
得下列比较审敛法.
反常积分的计算
当 a 为 瑕 点 时 , a f ( x )dx [ F ( x )]b a F (b ) lim F ( x )
x a
b
当 b 为 瑕 点 时 , a f ( x )dx [ F ( x )]b a lim F ( x ) F ( a )
ta x a
可采用简记形式
首页
b f ( x ) dx [ F ( x )] a F (b ) lim F ( x ) a x a
b
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结束
铃
二、无界函数的反常积分
无界函数反常积分的定义 设函数f(x)在区间(a, b]上连续, 点a为f(x)的瑕点 函数f(x) 在(a, b]上的反常积分定义为
1 dx ( a >0) 的 敛 散 性 a x p 1 1 解 当 p 1 时 , dx dx [ln x ] a a x a xp 1 1 x1 p ] 当 p <1 时 , dx [ a a xp 1 p
x x
( ) 2 2
首页
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结束
铃
a
f ( x )dx [ F ( x )] a lim F ( x ) F ( a ) x
例2 2 计算反常积分 例 解
0
te pt dt ( p 是 常 数 , 且 p >0)
b
t
f ( x )dx
首页
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结束
铃
二、无界函数的反常积分
无界函数反常积分的定义 设函数f(x)在区间(a, b]上连续, 点a为f(x)的瑕点 函数f(x) 在(a, b]上的反常积分定义为
反常积分1反常积分概念
第十一章反常积分一、主要内容与教学要求主要内容问题的提出，两类反常积分(无穷积分，无界函数的反常积分或瑕积分)的定义。
柯西收敛准则，无穷积分的性质，比较判别法，绝对收敛与条件收敛，狄利克雷判别法，阿贝尔判别法。
瑕积分的性质与收敛判别。
教学要求1 理解无穷积分和瑕积分的收敛与发散概念、绝对收敛和条件收敛的概念。
2 掌握无穷积分和瑕积分的性质和各种敛散性判别方法。
3 会应用敛散性的定义、性质及判别方法计算两类反常积分和证明两类反常积分有关的问题教学重点1 无穷积分和瑕积分的收敛与发散概念、绝对收敛和条件收敛的概念2 无穷积分和瑕积分的性质和各种敛散性判别方法3无穷积分和瑕积分的计算教学难点1 两类反常积分敛散性的判别2 两类反常积分相关的证明问题。
二、本章教材处理建议1. 结合实际例子说明定积分在处理实际问题时条件的局限性，由如何突破条件的限制引入无穷积分与瑕积分的概念。
2. 通过变量替换，瑕积分与无穷积分可以互化，因此，它们有平行的理论和结果，讲课过程中，可以无穷积分为主，将相应的结论推广到瑕积分。
3. 反常积分具有线性运算性质，换元积分法和分步积分法仍然成立，进行反常积分的计算时，使学生明确，定积分的有关计算的方法与技巧仍然适用。
4.注意对反常积分审敛（包括绝对收敛，条件收敛和发散）进行归纳总结，要记住某些重要结果。
三、本章习题处理意见1. §11.1反常积分概念(P269)：横线以上1，2两题为直接通过计算判断反常积分敛散性的基本题，要求学生必须掌握。
横线以下各题可在课堂或习题课上讨论，注意4，5,6这三题之间的联系。
2. §11.2无穷积分的性质与收敛判别（P275）：2，4,5三题可作为课外练习.第3题课堂讨论，6，7,8，9这四题可在习题课上讲授或给予提示，同样要注意各题之间内在的联系。
第10题可在讲解阿贝尔判别法这一部分内容时讲授。
3．§11.3瑕积分的性质与收敛判别（P279）：第3题可作为课外练习.4,5，6三题习题课讲授。
数学分析报告第七讲反常积分
数学分析报告第七讲反常积分反常积分是对具有无界函数或破碎点的函数进行积分时所遇到的问题。
在数学分析中，我们经常会遇到这样的函数，它们在其中一区间上无界或者在其中一点不连续。
这时，我们需要对这些函数进行反常积分的处理，以得到一个有意义的结果。
反常积分可以分为无界函数的反常积分和破碎点的反常积分两种情况。
无界函数的反常积分是指函数在其中一区间上无界，即函数的极限值为无穷大或无穷小。
破碎点的反常积分是指函数在其中一点上不连续，即函数在该点的极限不存在。
对于无界函数的反常积分，我们需要将积分区间分割成两个部分，使得原函数在每个部分上都是有界的。
然后对每个部分进行积分，再将结果相加。
具体来说，对于函数f(x)在区间[a,b]上无界的情况，我们可以将区间分割成[a,c]和[c,b]，其中c是一个介于a和b之间的值。
然后分别计算函数f(x)在区间[a,c]和[c,b]上的积分，再将这两个积分的结果相加，就得到了原函数f(x)在区间[a,b]上的反常积分。
对于破碎点的反常积分，我们需要分别计算函数左极限和右极限的积分，再将这两个积分的结果相加。
具体来说，对于函数f(x)在点c处不连续的情况，我们可以计算函数f(x)在区间[a,c)和(c,b]上的积分，然后将两个积分的结果相加，就得到了原函数f(x)在区间[a,b]上的反常积分。
通过对无界函数和破碎点的反常积分的处理，我们可以得到一个有意义的积分结果。
这样的处理方法可以避免由于函数的无界或破碎点而导致积分的发散或无意义的问题。
反常积分的处理方法对于数学分析的研究和应用具有非常重要的意义。
总结起来，反常积分是对具有无界函数或破碎点的函数进行积分时所遇到的问题。
我们可以通过将积分区间分割成有界的部分，或者分别计算函数左极限和右极限的积分，来处理这些反常积分。
这样的处理方法可以得到一个有意义的积分结果，避免由于函数的无界或破碎点而导致积分的发散或无意义的问题。
反常积分的处理方法在数学分析中具有非常重要的应用价值。
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1
常义积分
积分区间有限 被积函数有界 推 广 积分区间 被积函数 限 界
常积分
常义积分
限
2
一、无穷限的反常积分
定义1 定义1 (1) 设f ( x )在[a ,+∞ )上连续 , 取 > a, t 如果极限 lim ∫ f ( x )dx 存在 则称这个极限值 存在,
14
例 求
∫
1 0
1 dx x
1 解 ∵ lim+ = + ∞ x →0 x
∴ x = 0为瑕点. 取ε > 0 为瑕点
∵
∫
1
0
1 dx = lim ε →0 x
ε →0
∫ε
1
1 dx x
1
= lim ln x
ε →0
ε
= 0 − lim ln | ε | = ∞
1 发散. dx 发散 ∴ 0 x
3
(2) 设f ( x )在( −∞ , b]上连续 , 取t < b 如果极限 lim ∫t f ( x )dx 存在 则称这个极限值 存在, t →−∞ 反常积分, 为f ( x )在( −∞ , b]上的反常积分 记作 ∫− ∞ f ( x )dx . 即
b
b
∫−∞ f ( x)dx = tlim ∫t →−∞
2 = lim [ln(ln x )] 1+ε
= ln(ln 2) − lim ln(ln(1 + ε ))
ε →0
= ∞.
故原反常积分发散. 故原反常积分发散
17
例 讨论反常积分 证: 当 p = 1 时, 当p≠1时 时
的收敛性. 的收敛性. x = a为瑕点 .
lim
ε →0
= lim ln x − a
23
作业
∫
b
∞ ). 取ε > 0, f ( x ) 在 [ a + ε , b]上连续 ,
f ( x )dx 存在 则称此极限为 存在,
函数 f ( x ) 在 ( a, b] 上的 反常积分 记为 反常积分,
∫a f ( x)dx = lim∫a+ε f ( x)dx ε →0 b 也称反常积分 也称反常积分∫ f ( x)dx收敛; 当极限不存在时 收敛; 当极限不存在时, a b 称反常积分 f ( x)dx发散. 发散. ∫a
因此 当p > 1时 收敛 其值为 收敛,
当p ≤ 1时 发散 发散.
1 ; p−1
11
二、无界函数的反常积分 瑕积分) (瑕积分)
瑕点, 定义2 定义2 (1) 设f ( x )在(a , b]上连续 ,点a为f ( x )的 瑕点,
(即 lim f ( x ) =
x → a+
若极限 lim
ε →0 a + ε
∫
a−ε
y
这个反常积分值的 几何意义
1 a
y=
1 a2 − x2
O
a− εa −
16
x
例 计算反常积分 解
∫1
2
dx . x ln x
x = 1为瑕点 . 取ε > 0, 则 为瑕点
∫
2
1
dx = lim ε →0 x ln x
ε →0
∫
2
1+ε
dx = lim x ln x ε →0
∫
2
1+ε
d(ln x ) ln x
因为极限 lim cos t 不存在, 所以 不存在
t → −∞
∫
0
−∞
积分发散. sin xdx 积分发散
7
注 为了方便起见, 规定: 对反常积分可用如下的简记法使用N--L公式 公式, 对反常积分可用如下的简记法使用 公式 若F ( x )是连续函数 f ( x )的原函数 .
∫a
+∞
f ( x )dx = F ( x )
(α > 0)
分部积分) 分部积分 x de (分部积分
α
−x
= −x e
[
∫
+∞
0
x e dx = −
α −x
α −x
]
∫
+∞
0
+∞ 0
+α
∫
+∞
若n < α ≤ n +1, 0 < α − n ≤ 1,
Γ(α +1) = α Γ(α) = α (α − 1) Γ(α −1) =⋯
= α(α − 1)(α − 2)⋯(α − n) Γ(α − n)
−∞
f ( x )dx 收敛 否则称反常积分 收敛;
−∞
f ( x )dx 发散 发散.
5
例 计算反常积分 证 取t >0, 则
原式= tlim → +∞
例 计算反常积分 证 取t >0, 则
1 lim − t → +∞ x
1 = lim 1− = 1 − t → +∞ t
原式= tlim → +∞
+∞
例 证明反常积分 ∫
+∞
1
1 时收敛 dx , 当p > 1时收敛, p x
当p ≤ 1时发散 . 时发散
+∞ 1 1 + p = 1, ∫ dx = [ln x ]1 ∞ = +∞ dx = ∫1 证 (1) p 1 x x + ∞, p < 1 1− p + ∞ +∞ 1 x (2) p ≠ 1, ∫ dx = p = 1 1 x p>1 1 − p 1 p−1 +∞
∫
1
15
例 计算反常积分∫ 解 ∵ lim −
x→
a
0
1 a2 − x2
dx a2 − x2
(a > 0).
a
= + ∞ ∴ x = a 为瑕点,取ε > 0, 则 瑕点,
dx
a− ε
∫0
a
dx = lim 2 2 ε →0 a −x
x = lim arcsin 2 2 0 a 0 a − x ε →0 a−ε π = lim arcsin −0 = . ε →0 2 a
在( −∞ ,+∞ ) 上的反常积分 记作 ∫− ∞ f ( x )dx 即 上的反常积分 反常积分,
∫
−∞
f ( x )dx = ∫− ∞ f ( x )dx + ∫0 f ( x )dx
0
+∞
= lim ∫ f ( x )dx + lim
称反常积分
0
∫
+∞
∫
t →−∞ +∞
t
t →+∞ ∫
t
0
f ( x )dx
12
b
b
(2) 设f ( x )在[a , b )上连续, 点b为f ( x )的 瑕点, 瑕点,
(即 lim− f ( x ) =
x→
b
∞). 取ε > 0, f ( x ) 在 [ a, b − ε ]上连续 ,
lim
若极限
ε →0 a
∫
b− ε
f ( x )dx
b−ε
存在, 存在 则定义
∫a f ( x)dx= lim∫a ε →0
π
y
1 y= 1 + x2
O
x
9
例 计算反常积分 ∫2
π
+∞
1 1 2 sin dx x x
解
∫
+∞
π
2
+∞ 1 1 1 1 = − ∫2 sin d 2 sin dx x x π x x
1 π = lim cos − cos x → +∞ x 2
= 1.
10
1 = cos x π2
1 − x2 = lim − e t → +∞ 2
t → +∞
lim
1 = 2
6
例 讨论积分
∫
0
−∞
sin x dx的敛散性 .
解 取t <0, 则
∫
0
−∞
sin xdx = tlim → −∞
t → −∞
∫
0
t
sin xdx
0
t → −∞
= lim [ − cos x ] t = −1 + lim cos t
b
b
f ( x)dx
当极限存在时, 当极限存在时 称反常积分 收敛; 收敛; 当极限不存在时, 当极限不存在时 称反常积分 发散. 发散.
4
(3) 设f ( x )在( −∞ ,+∞ )上连续 , 如果反常积分
∫
+∞
0
−∞
f ( x )dx 和 ∫
+∞
0
f ( x )dx
+∞
都收敛, 都收敛 则称上述两反常积分之和为函数 f ( x )
c
b
∫a f ( x )dx = ∫a f ( x )dx + ∫c f ( x )dx
= lim
b
ε →0 a
∫
c−ε
f ( x)dx + lim
ε →0 c+ε
∫
b
f ( x)dx
发散. 否则, 否则 就称反常积分 ∫a f ( x )dx 发散. 如瑕点在区间内部, 通常用瑕点将区间分开 用瑕点将区间分开, 注 如瑕点在区间内部 通常用瑕点将区间分开 分别讨论各段瑕点积分. 分别讨论各段瑕点积分