第二节 反常积分
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I. 无穷限的反常积分
1.1 无穷限反常积分的定义
若函数在无穷区间上有定义,在任何有限区间上可积(),如果极限存在,则称该极限值为在区间上的反常积分的值,记作:
此时也称上述反常积分存在或收敛,若上述极限不存在,则称反常积分发散,同理也可定义:
以及:(其中)
1.2 无穷限反常积分的计算
根据牛顿·莱布尼茨公式,设,可知:
Tip
Gamma函数的定义:
Gamma函数的性质:
例1:试判断的收敛性.(“积分”)
Answer
首先求出被积函数的原函数:()
然后考虑这个极限:
当时:
则此时此反常积分为收敛;
当时:
则此时此反常积分为发散;
而当时:
考虑这个极限:
所以,最终总结可得:当时,此反常积分为发散;当时,此反常积分为收敛。
例2:讨论的敛散性,其中为任意实数.
Answer
例3:求.
Answer
例4:计算反常积分.
Answer
1.3 无穷限反常积分敛散性的判定
对于反常积分,其收敛性主要取决于当时,的速度,趋于的速度越快则此反常积分的收敛性越强,反之越弱;
比较判别法:设在上连续,且有,则:
- 若收敛,则收敛:“大敛则小敛”
- 若发散,则发散:“小散则大散”
比较判别法的极限形式:设,则:
Tip
注意:
- 当时,只判敛不判散,即此时只能取大于的数;
- 当时,只判散不判敛,即此时只能取小于等于的数;
另外,若,则:
- 对于,若极限存在则其收敛,否则发散;
- 对于,若极限存在则其收敛,否则发散;
- 对于,若极限和皆存在则其收敛,否则发散。
Attention
无穷限反常积分的对称性不一定成立,仅当收敛时成立
例5:判定反常积分的敛散性
Answer
因为:
而且:
所以:
例6:判定反常积分的敛散性
Answer
设,则反常积分发散,考虑此极限:
因此,当时,极限值为,可判定此反常积分为发散
例7:判定反常积分的敛散性
Answer
II. 无界函数的反常积分
2.1 瑕积分的定义
瑕点:若在点的任一邻域内均无界,则称为的瑕点
若为函数的瑕点,且在上连续,则,称:
为在上的瑕积分,设,记作:
2.2 瑕积分的计算
若函数在上连续,且为的瑕点,设,则有:
例8:设,对于反常积分,试证明:(“积分”)
若,则此反常积分收敛;
Answer
此时此瑕积分的值为一个常数,显然此时其为收敛
若,则此反常积分发散;
Answer
让我们直接快进到极限环节:(当时)
考虑其中的极限:
显然此时这个瑕积分是发散的;继续考虑当时的情况:
显然此时这个瑕积分也是发散的,所以综合两种情况可以知道:当时,是发散的
2.3 瑕积分的敛散性的判定
若函数在上连续,且为的瑕点,设,对于:
若存在,则此瑕积分收敛,否则发散;若,则其敛散性主要取决于当时趋于的速度,速度越快则收敛性越弱,反之则越强;
比较判别法:设、在上连续,为瑕点且有,则:
- 若收敛,则也收敛(“大敛则小敛”)
- 若发散,则也发散(“小散则大散”)
比较判别法的极限形式:设,则:
Tip
当为瑕点时:
设函数在上连续,且为的瑕点,设,则有:
显然若存在则收敛,否则发散
当为瑕点时:
设函数在和上连续,且为的瑕点,设,则有:
显然若和均存在则收敛,否则发散
例9:试判断的敛散性
Answer
设,则有:
即可根据比较判别法的极限形式判断出是发散的
例10:计算下列反常积分:
.
Answer
考虑这个方程:
即:
于是可以写出被积函数的表达式:
又因为:
所以和是的瑕点,据此我们可以将这个反常积分进行拆分:
.
Answer