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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f(x)f(x)在无穷区间[a,+)\left[ a, +\infty \right)上有定义,在任何有限区间[a,b]\left[ a, b \right]上可积(a<ba \lt b),如果极限limb+abf(x)\displaystyle \lim_{b \to +\infty} \int_{a}^{b} f(x)存在,则称该极限值为f(x)f(x)在区间[a,+)\left[ a, +\infty \right)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a+f(x)dx\displaystyle \int_{a}^{+\infty} f(x) \mathrm{d}x发散,同理也可定义:

以及:(其中c(,+)c \in (-\infty, +\infty)

1.2 无穷限反常积分的计算

根据牛顿·莱布尼茨公式,设F(x)=f(x)F'(x) = f(x),可知:

Tip

Gamma函数的定义:

Gamma函数的性质:

  • 例1:试判断1+1xpdx\displaystyle \int_{1}^{+\infty} \frac{1}{x^p} \mathrm{d}x的收敛性.(“pp积分”)

    Answer

    首先求出被积函数的原函数:(p1p \neq 1

    然后考虑这个极限:

    • p>1p \gt 1时:

      则此时此反常积分为收敛;

    • p<1p \lt 1时:

      则此时此反常积分为发散;

    而当p=1p = 1时:

    考虑这个极限:

    所以,最终总结可得:当p1p \leq 1时,此反常积分为发散;当p>1p \gt 1时,此反常积分为收敛。

  • 例2:讨论2+1xlnpxdx\displaystyle \int_{2}^{+\infty} \frac{1}{x \ln^p x} \mathrm{d}x的敛散性,其中pp为任意实数.

    Answer
  • 例3:求0+ex2dx\displaystyle \int_{0}^{+\infty} e^{-x^2} \mathrm{d}x.

    Answer
  • 例4:计算反常积分0+teptdt(p>0)\displaystyle \int_{0}^{+\infty} te^{-pt} \mathrm{d}t \, (p \gt 0).

    Answer

1.3 无穷限反常积分敛散性的判定

对于反常积分a+f(x)dx,f(x)0\displaystyle \int_{a}^{+\infty} f(x) \mathrm{d}x ,\, f(x) \geq 0,其收敛性主要取决于当x+x \to +\infty时,f(x)0f(x) \to 0的速度,趋于00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f(x)f(x)[a,+)\left[ a, +\infty \right)上连续,且x[a,+)\forall x \in \left[ a, +\infty \right)0f(x)g(x)0 \leq f(x) \leq g(x),则:

  1. a+g(x)dx\displaystyle \int_{a}^{+\infty} g(x) \mathrm{d}x收敛,则a+f(x)dx\displaystyle \int_{a}^{+\infty} f(x) \mathrm{d}x收敛:“大敛则小敛”
  2. a+f(x)dx\displaystyle \int_{a}^{+\infty} f(x) \mathrm{d}x发散,则a+g(x)dx\displaystyle \int_{a}^{+\infty} g(x) \mathrm{d}x发散:“小散则大散”

比较判别法的极限形式:设g(x)=1xpg(x) = \dfrac{1}{x^p},则:

Tip

注意:

  1. l=0l = 0时,只判敛不判散,即此时pp只能取大于11的数;
  2. l=+l = +\infty时,只判散不判敛,即此时pp只能取小于等于11的数;

另外,若F(x)=f(x)F'(x) = f(x),则:

  1. 对于a+f(x)dx\displaystyle \int_{a}^{+\infty} f(x) \mathrm{d}x,若极限limx+F(x)\displaystyle \lim_{x \to +\infty} F(x)存在则其收敛,否则发散;
  2. 对于bf(x)dx\displaystyle \int_{-\infty}^{b} f(x) \mathrm{d}x,若极限limxF(x)\displaystyle \lim_{x \to -\infty} F(x)存在则其收敛,否则发散;
  3. 对于+f(x)dx\displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty} f(x) \mathrm{d}x,若极限limx+F(x)\displaystyle \lim_{x \to +\infty} F(x)limxF(x)\displaystyle \lim_{x \to -\infty} F(x)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+f(x)dx\displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty} f(x) \mathrm{d}x收敛时成立

  • 例5:判定反常积分1+dxx4+13\displaystyle \int_{1}^{+\infty} \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt[3]{x^4 + 1}}的敛散性

    Answer

    因为:

    而且:

    所以:

  • 例6:判定反常积分1+1ln(1+x)dx\displaystyle \int_{1}^{+\infty} \frac{1}{\ln (1 + x)} \mathrm{d}x的敛散性

    Answer

    g(x)=1xg(x) = \dfrac{1}{x},则反常积分1+g(x)dx\displaystyle \int_{1}^{+\infty} g(x) \mathrm{d}x发散,考虑此极限:

    因此,当p=1p = 1时,极限值为++\infty,可判定此反常积分为发散

  • 例7:判定反常积分+x3dx\displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty} x^3 \mathrm{d}x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f(x)f(x)在点x0x_0的任一邻域内均无界,则称x0x_0f(x)f(x)的瑕点

x=ax = a为函数f(x)f(x)的瑕点,且f(x)f(x)(a,b]\left( a, b \right]上连续,则t(a,b)\forall t \in (a, b),称:

f(x)f(x)(a,b]\left( a, b \right]上的瑕积分,设F(x)=f(x)F'(x) = f(x),记作:

2.2 瑕积分的计算

若函数f(x)f(x)(a,b]\left( a, b \right]上连续,且x=ax = af(x)f(x)的瑕点,设F(x)=f(x)F'(x) = f(x),则有:

例8:设a<ba \lt b,对于反常积分abdx(xa)q\displaystyle \int_{a}^{b} \frac{\mathrm{d}x}{(x - a)^q},试证明:(“qq积分”)

  1. 0<q<10 \lt q \lt 1,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

  2. q1q \geq 1,则此反常积分发散;

    Answer

    让我们直接快进到极限环节:(当q1q \neq 1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q=1q = 1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q1q \geq 1时,ab1(xa)qdx\displaystyle \int_{a}^{b} \frac{1}{(x - a)^q} \mathrm{d}x是发散的

2.3 瑕积分的敛散性的判定

若函数f(x)f(x)(a,b]\left( a, b \right]上连续,且x=ax = af(x)f(x)的瑕点,设F(x)=f(x)F'(x) = f(x),对于:

limta+f(t)\displaystyle \lim_{t \to a^+} f(t)存在,则此瑕积分收敛,否则发散;若f(x)0f(x) \geq 0,则其敛散性主要取决于当xa+x \to a^+f(x)f(x)趋于++\infty的速度,速度越快则收敛性越弱,反之则越强;

比较判别法:设f(x)f(x)g(x)g(x)(a,b]\left( a, b \right]上连续,x=ax = a为瑕点且x(a,b]\forall x \in \left( a, b \right]0f(x)g(x)0 \leq f(x) \leq g(x),则:

  1. abg(x)dx\displaystyle \int_{a}^{b} g(x) \mathrm{d}x收敛,则abf(x)dx\displaystyle \int_{a}^{b} f(x) \mathrm{d}x也收敛(“大敛则小敛”)
  2. abf(x)dx\displaystyle \int_{a}^{b} f(x) \mathrm{d}x发散,则abg(x)dx\displaystyle \int_{a}^{b} g(x) \mathrm{d}x也发散(“小散则大散”)

比较判别法的极限形式:设g(x)=1(xa)qg(x) = \dfrac{1}{(x - a)^q},则:

Tip

  • x=bx = b为瑕点时:

    设函数f(x)f(x)[a,b)\left[ a, b \right)上连续,且x=bx = bf(x)f(x)的瑕点,设F(x)=f(x)F'(x) = f(x),则有:

    显然若limtbF(x)\displaystyle \lim_{t \to b^-} F(x)存在则abf(x)dx\displaystyle \int_{a}^{b} f(x) \mathrm{d}x收敛,否则发散

  • x=cx = c为瑕点时:

    设函数f(x)f(x)[a,c)\left[ a, c \right)(c,b]\left( c, b \right]上连续,且x=cx = cf(x)f(x)的瑕点,设F(x)=f(x)F'(x) = f(x),则有:

    显然若limtcF(x)\displaystyle \lim_{t \to c^-} F(x)limtc+F(x)\displaystyle \lim_{t \to c^+} F(x)均存在则abf(x)dx\displaystyle \int_{a}^{b} f(x) \mathrm{d}x收敛,否则发散

  • 例9:试判断01lnxdx\displaystyle \int_{0}^{1} \ln x \mathrm{d}x的敛散性

    Answer

    g(x)=x12g(x) = x^{-\frac{1}{2}},则有:

    即可根据比较判别法的极限形式判断出01lnxdx\displaystyle \int_{0}^{1} \ln x \mathrm{d}x是发散的

  • 例10:计算下列反常积分:

    1. 1232dxxx2\displaystyle \int_{\frac{1}{2}}^{\frac{3}{2}} \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{\left| x - x^2 \right|}}.

      Answer

      考虑这个方程:

      即:

      于是可以写出被积函数f(x)f(x)的表达式:

      又因为:

      所以x=0x = 0x=1x = 1f(x)f(x)的瑕点,据此我们可以将这个反常积分进行拆分:

    2. 0+dx(1+x)x\displaystyle \int_{0}^{+\infty} \frac{\mathrm{d}x}{(1 + x) \sqrt{x}}.

      Answer