无界函数的反常积分

注意: 若瑕点 c (a , b) , 则
f ( x) dx F (b) F (c ) F (c ) F (a)
可相消吗?
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例4. 计算反常积分 解: 显然瑕点为 a , 所以 a x π arcsin 1 原式 arcsin a 0 2 例5. 讨论反常积分
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备用题 试证
解:
0

dx x d x , 并求其值 . 4 4 0 1 x 1 x

2
令t1 x

1 1 1 14 t 2 d t
0 t
t2 dt 4 0 1 t 2 d x 1 dx x d x 4 4 4 0 1 x 0 1 x 2 0 1 x 1 1 x 2 d x 2 0 1 x4
第四节 反常积分
常义积分
推广
第五章
积分限有限 被积函数有界
反常积分 (广义积分)
一、无穷限的反常积分
二、无界函数的反常积分
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一、无穷限的反常积分
引例. 曲线 和直线 及 x 轴所围成的开口曲
边梯形的面积 可记作
y
1 y 2 x A
x 其含义可理解为 A lim
A
2. 两个重要的反常积分
, 1 , p 1 ( p 1) a
p 1 p 1
,
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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 1 x2 0 x2 1 x2
1
dt
1
d( x 1 ) x 2
0 ( x 1)2 x
( c 为任意取定的常数 ) 只要有一个极限不存在 , 就称 发散 .
c b
无穷限的反常积分也称为第一类反常积分.
说明: 上述定义中若出现 , 并非不定型 ,
它表明该反常积分发散 .
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引入记号
F () lim F ( x) ;
x
F () lim F ( x)
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 就称反常积分
收敛 ; 如果上述极限不存在, 发散 .
类似地 , 若 f ( x) C ( , b] , 则定义
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若 f ( x) C ( , ) , 则定义
f ( x) dx lim f ( x) dx a a b c lim

(b a)1q ; 所以当 q < 1 时, 该广义积分收敛 , 其值为 1 q 当 q ≥ 1 时, 该广义积分发散 .
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例7. 解： 积分.
求 的无穷间断点, 故 I 为反常
0
f ( x) I dx 2 11 f ( x )
f ( x) dx 2 2 1 f ( x)
0 dx 下述解法是否正确 : 1 dx
的收敛性 .
源自文库
1 1 解: 2 2 x x 1 x 0x 1 1 dx 0 1 1 2 1 1 2 , ∴积分收敛 1 x x 所以反常积分 1 发散 .
c 1 a
c
b
f ( x) dx lim
2 0
b
c 2
f ( x ) dx
无界函数的积分又称作第二类反常积分, 无界点常称 为瑕点(奇点) .
说明: 若被积函数在积分区间上仅存在有限个第一类 间断点, 则本质上是常义积分, 而不是反常积分. 例如,
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3
f ( x) d f ( x) 1 f 2 ( x) d x 1 f 2 ( x) arctan f ( x) C
π ] 2
π 32 ] arctan 2 π 2 27
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内容小结
1. 反常积分 积分区间无限 被积函数无界 常义积分的极限
提示: P260 题2 d(ln x ) dx 2 x (ln x) k 2 (ln x) k dx 1 当 k 1 时, I (k ) 2 k x (ln x) (k 1)(ln 2) k 1
令 f (k ) (k 1)(ln 2)
k 1
, 求其最大值 .
则也有类似牛 – 莱公式的
计算表达式 :
若 b 为瑕点, 则
若 a 为瑕点, 则
a a
b
f ( x) dx F (b ) F (a) f ( x) dx F (b) F (a )
b
若 a , b 都为瑕点, 则
a a
b
b
f ( x) dx F (b ) F (a )


0
1
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例6. 证明反常积分 时发散 .
当 q < 1 时收敛 ; q≥1
证 : 当 q = 1 时,
当 q≠1 时
ln x a
1 q
a
b

q 1 q 1
( x a) 1 q
(b a)1q , b 1 q a ,
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例1. 计算反常积分
解:
[ arctan x ] π π ( ) π 2 2

y O
y
1 1 x 2
x
思考: 分析: 原积分发散 !
注意: 对反常积分, 只有在收敛的条件下才能使用 “偶倍奇零” 的性质, 否则会出现错误 .
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例2. 证明第一类 p 积分 时发散 .
a
c b lim f ( x ) dx f ( x ) dx c a 0
注意: 主值意义下反常积分存在不等于一般意义下反
常积分收敛 .
思考与练习
P260 题 1 (1) , (2) , (7) , (8)
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作业
P260 1 (4) , (5) , (6) , (9) , (10) ; 2; 3
dx 2
b
1
b 1
b
1 dx lim 2 b x 1 x
O 1
b
x
1 lim 1 1 b b
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定义1. 设 f ( x) C [a , ) , 取 b a , 若
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例3. 计算反常积分
t pt 解: 原式 e p
1 pt 2e p 1 2 p
1 p t e dt p 0
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二、无界函数的反常积分
引例:曲线 与 x 轴, y 轴和直线 所围成的
开口曲边梯形的面积可记作
y
1 y x
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1 2
1 1 x 2 1 x2 0 x2
dx
1 1 1 d (x ) 2 2 0 (x 1) 2 x
x

1 2 2
arctan
x1 x 2
0
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其含义可理解为
A lim
0


1
dx 1 lim 2 x x 0
A
O
lim 2(1 ) 2
0
x
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定义2. 设 f ( x) C (a , b] , 而在点 a 的右邻域内无界,
若极限 存在 , 则称此极限为函
数 f (x) 在 [a , b] 上的反常积分, 记作
x
则有类似牛 – 莱公式的计算表达式 :
a

f ( x ) dx F ( x)
F () F (a) F (b) F () F () F ()
f ( x) dx F ( x) f ( x) dx F ( x)

b
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这时称反常积分 就称反常积分
收敛 ; 如果上述极限不存在, 发散 .
类似地 , 若 f ( x) C [a , b) , 而在 b 的左邻域内无界,
则定义
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而在点 c 的 邻域内无界 , 则定义
a f ( x) dx c f ( x) dx
lim
1 0
dt 2 t 2 (2) 当一题同时含两类反常积分时, 应划分积分区间,
0
分别讨论每一区间上的反常积分.
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(3) 有时需考虑主值意义下的反常积分. 其定义为
v.p.
b
f ( x) dx lim
f ( x ) dx a a
a
v.p. f ( x) dx (c 为瑕点, a c b)
当 p >1 时收敛 ; p≤1
证:当 p =1 时有
ln x
当 p ≠ 1 时有

a


x 1 p a
1 p
,
a 1 p , p 1
p 1 p 1
a 1 p ; 因此, 当 p >1 时, 反常积分收敛 , 其值为 p 1 当 p≤1 时, 反常积分发散 .