当前课程知识点:微积分(先修课) > 第六章 积分法与反常积分 > 6.5 反常积分 > 6.5.1 反常积分(1)
同学们 大家好
欢迎来到大学先修课微积分课程
今天我们介绍第六章
积分法与反常积分
第五节反常积分
我们知道定积分
只是在有限区间上的
有界函数中讨论问题
对于无限区间上的有界函数
或者是有限区间上的无界函数
甚至是无限区间上的无界函数
情况又是什么样的呢
在这一讲中
我们将介绍无限区间上的
有界函数的反常积分
首先我们来介绍
无穷区间上的反常积分
无穷区间上反常积分
我们习惯的称之为无穷积分
在给出有关的概念之前
我们首先看两个简单的例子
例1
我们求介于曲线y等于x方分之1
与x轴之间的区域的面积
我们将这条曲线的图形画出来
我们要求的面积
从图上看应该是一个
无界区域的面积
对于这个无界区域的面积
我们可以这样处理
我们先用曲线y等x平方分之1
与直线x等1和x等a 以及x轴
围成一个曲边梯形
我们用DA来表示
这个曲边梯形的面积
我们可以利用定积分求出
求出了这个曲边梯形的面积之后
我们可以让直线x等a
沿着x轴正向往正无穷方向跑
那么我们就会得到我们要求的
曲边梯形的面积
就会越来越接近我们要求的
这个无穷区域的面积
具体的计算就是DA的面积
就是x平方分之1
关于x从1到A做积分
我们利用牛顿莱布尼兹公式
求得它的值就是1减去A分之1
我们用SA来表示
那么我们要求的
无穷区域的面积
我们用S来表示
它应该就是SA
在A趋向正无穷时的极限值
也就是1减A分之1
在A体现正无穷时的极限值
最后的结果应该等于1
在这个具体的问题的处理过程中
事实上我们就碰到了
X平方分之1这个函数
在1到正无穷
这个区间上的积分问题
当然 我们这样说的积分
肯定不是我们前面
讨论过的定积分
因为定积分对区间的
要求是有限的
那我们处理的方法
就是先考虑一个简单的
变上限定积分函数
然后利用函数的极限
我们就将这个定积分的求值
推广到了无穷区间上
这样的问题中
下面我们看第二道例题
如果将地面上质量为m的物体
竖直的举高H米
我们求在这个过程中
克服重力所做功的大小
我们用WH来表示
这是一个简单的便利做功问题
我们假设地球的半径用R来表示
地球的质量用M来表示
引力常数用G来表示
那么根据前面
我们讨论过的便利做功
它的计算公式我们就知道
我们要求功的大小
就等于G乘上M再乘上m
除上X平方
关于x从R到R加H做积分
利用牛顿莱布尼兹公式
我们就求出了
我们求的功的大小
就是G乘上M再乘m
再乘括号里面R分之1
减掉R加H分之1
在这个表达式中
被积函数GMm乘积除上X平方
这表示的是当质量为m的物体
距离地心的距离是x时
地球对这个物体的引力大小
也就是我们要克服的重力大小
这实际上就是便利做功问题中的
便利的大小
那我们将物体
从地面竖直的举高H米
也就相当于
将物体从距离
地球的中心R这个位置
举高到距离地球的中心
是R加H这个位置
这样大家就可以理解
我们为什么可以
把我们要求功的大小
表示成这个定积分的值的大小
如果我们考虑的问题变一变
也就是我们为了使得这个物体
能够摆脱地球的引力
那么我们克服重力需要做的功
到底是多大
所谓摆脱地球的引力
也就是将这个物体举的高度
让它的高度倾向于无穷大
也就是只要关于这个功
让H趋向正无穷
取极限就可以了
我们得到最后需要做功的大小
是引力常数与地球质量
和物体质量的乘积
再除上地球的半径
我们知道我们克服重力做的功
也就等于这个物体
它势能的增加
也就是说这个时候
物体总的势能增加了引力常数
与地球质量和物体质量的乘积
再除上地球的半径
在这个基础上
我们再考虑一种情况
如果我们是通过
给物体一个初速度V0
使得这个物体
能够摆脱地球的引力
我们给物体一个初速度
相当于是给了物体一个动能
动能也就是2分之1质量
乘上速度的平方
只要这个动能
不小于它摆脱地球引力
所需要增加的势能
那么我们就能做到这一点
在这个不等式里面
我们将地球的质量
引力常数和半径代进去
就会得出只要初速度
不小于11.2千米每秒
那么我们就能保证
能够使得这个物体
摆脱地球的引力
11.2也就是我们熟悉的
第二宇宙速度
在第二个例子中
与第一个例子一样
我们仍然碰到了怎么样处理
在一个无穷区间上
对一个函数做积分的问题
实际上我们在无穷区间上
当然不可以做定积分
但是我们可以通过
对一个简单的变现定积分函数
取极限的方法
把有限区间上定积分的处理方法
推广到无穷区间上去
我们所谓的无穷积分
实际上就是
用这思路来讨论问题的
下面我们给出有关的概念
第一个问题无穷积分的概念
我们直接给出定义
定义1
我们设函数fx在
a到正无穷上有定义
而且对于任意的A大于a
函数fx在B区间a到A上可积
如果这个变上限定积分函数
在上限A趋向
正无穷时的极限存在
我们就说fx
在a到正无穷上的无穷积分
是收敛的
无穷积分的值
就等于这个变上限定积分函数
在上限A出现正无穷时的极限值
无穷积分我们就形式的记作fx
关于x从A到正无穷做积分
请大家注意这个积分
它表示的应该就是一个函数
在自变量趋向正无穷时的极限值
类似的 我们也可以定义函数fx
在负无穷到b这个无穷区间上
无穷积分的收敛性以及它的值
也就是说在负无穷到B
这个区间上的无穷积分值
就等于一个变下限积分函数
在下限B趋向副无穷时的极限值
如果我们的函数
是在副无穷到正无穷
这个区间上有定义
我们怎么样定义
它在副无穷到正无穷
这个区间上的无穷积分
我们的定义是这样子的
如果存在一个实数a
使得fx在a到
正无穷期间上的无穷积分
和fx在副无穷到
a这个无穷期间上的无穷积分
都是收敛的
那么我们就说fx
在负无穷到正无穷上的无穷积分
也是收敛的
而且这个时候
这个无穷积分它的值的大小
就等于fx在副无穷
到a这个区间上的
无穷积分值
再加上fx在a到正无穷
这个无穷期间上的无穷积分值
这是关于fx在副无穷
到正无穷这个区间上
无穷积分的收敛性
和它值的大小的定义
请大家注意
在这个定义中
只有当两个半无穷区间上的
无穷积分
都收敛时
我们才说在副无穷
到正无穷期间上的无穷积分
是收敛的
关于无穷积分的概念
我们还是要强调两点
第一点对于无穷区间上的
无穷积分
我们知道任意有限长度区间上的
被积函数的函数值
是不影响我们考虑的无穷区间上
无穷积分的收敛性的
第二点
在副无穷到正无穷
这个无穷区间上
无穷积分的收敛性的定义中
我们说存在某个实数a怎么样
我们可以证明
这个无穷积分的收敛性
以及它值的大小
实际上与我们选的实数a的值
是没有关系的
也就是说只要有一个实数
使得它是收敛的
那么我们任意取一实数
它也是收敛的
而且不同积分的值是不变的
我们利用无穷积分收敛的定义
我们做一个简单的证明
也就是fx
在负无穷到a上的无穷积分
加上fx
从a到正无穷上的无穷积分
按照定义
第一个无穷积分就是一个
变下限积分函数
在下限趋向负无穷时的极限值
而第二个无穷积分
就是一个变上限积分函数
在上限趋向正无穷时的极限值
在这个表达式中
D到a只是个定积分
a到A这也是个定积分
我们利用定积分的区间可加性
可以把B到a的定积分
写成是B到b的定积分
再加上b到a的定积分
同样的
a到A这个区间上的定积分
我们也可以把它表示成是
A到b的定积分
再加上b到A的定积分
在这a到b的定积分
和b到a的定积分是常数
所以说我们就可以把它写作是
负无穷到b
这个区间上的无穷积分
加上b到a的定积分
再加上a到b的定积分
最后再加上b到正无穷
这个区间上的无穷积分
我们知道b到a的定积分
加上a到b的定积分是等零的
这样我们就证明了
负无穷到正无穷区间上的
无穷积分它的收敛性
以及它的值的大小
与a的取值是没有关系的
有了无穷积分收敛的概念
和值的定义以后
我们来看几道具体的例题
例3
判断下列两个无穷积分的收敛性
现在我们判断无穷积分的收敛性
方法只有一个
那就是定义
对第一无穷积分
我们考虑e的负x方
在0到A这个区间上的定积分值
然后让A趋向正无穷取极线
因为这被积函数的原函数
我们是可以求出的
那么利用牛顿莱布尼兹公式
0到A上的定积分值
我们可以得到是1减去
e的负A次方
那么在A趋向正无穷时
它的极限就等1
根据无穷积分的收敛性概念
我们知道
第一个无穷积分是收敛的
而且我们还知道
它的值的大小就等于1
下面我们看第二个无穷积分
这是一个负无穷
到正无穷区间上的无穷积分
我们就考虑0到正无穷
这个区间上的无穷积分
和负无穷到0
这个区间上的无穷积分的收敛性
首先我们对1加x方分之1
在0到a上取定积分
它的原函数是arctanx
所以利用牛顿莱布尼兹公式
我们能够求出这个定积分值
应该是arctana
它在a趋向正无穷时的极限
就是2分之π
类似的我们再求1加x平方分之1
在B到0上它的定积分值
根据牛顿莱布尼兹公式
它的值应该是负的arctanb
那么在b趋向负无穷时的极限
它也是2分之π
这说明这个函数
在0到正无穷这个区间
和在负无穷到0
这个区间上的无穷积分
都是收敛的
根据定义我们就知道
这个函数在负无穷
到正无穷上的无穷积分
也是收敛的
而且这个无穷积分值的大小
就等于上面两个无穷积分值之和
也就等于π
第四个例题
我们来判断一下
下面两个无穷积分的收敛性
在这两个无穷积分中
被积函数都与参数p有关
P的取值
对这个无穷积分的收敛性
是有影响的
所以我们在处理时
要讨论参数p的取值范围
我们先看第一个无穷积分
在第一个无穷积分中
如果参数p等于1
这个时候被积函数就是x分之1
根据无穷积分的收敛性定义
我们知道这时候x分之1
在1到正无穷
这个区间上的无穷积分
是发散的
如果参数p是大于1时
这时候这个被积函数
也是一个简单的幂函数
我们根据无穷积分收敛的定义
先来求这个函数
在1到A这个区间上的定积分
利用牛顿莱布尼兹公式
我们可以求得它的定积分
是1减p分之1乘上括号里面
A的p减1次方分之1再减去1
请大家注意p减1是大于0的
我们让A趋向正无穷
这个极限是等于p减1分之1
也就是说在p大于1时
这个无穷积分是收敛的
如果参数p是小于1
我们同样可以利用
牛顿莱布尼兹公式
求出这个变现定积分
函数的值的大小
请大家注意这个时候
A的p减1次方分之1里面
这个指数p减1是小于0的
那么在A趋向正无穷时
这个表达式它是一个正无穷大量
那么根据无穷积分收敛的概念
我们知道它是不收敛的
当无穷积分不收敛时
我们就说它是发散的
下面我们来看第二个无穷积分
在第二个无穷积分中
当参数p等于1时
我们利用无穷积分收敛性的定义
也是需要讨论
这个变现定积分函数
在上限趋向正无穷时的极限
是否存在
我们利用凑微分法
和牛顿莱布尼兹公式
能够得到这个
变现定积分函数的表达式
大家可以看到在A趋向正无穷时
它是正无穷大量
也就是说这个时候
这个无穷积分是发散的
如果参数p是大于1时
我们利用同样的方法也可以得到
这个时候这个变现定积分函数
它的表达式
请大家注意在表达式中
lnA括起来的p减1次方
这个时候p减1是大于0的
所以在A趋向正无穷时
这个表达式的极限是存在的
也就是说这个时候
这个无穷积分是收敛的
最后我们看一下p小于1时
这个无穷积分按照定义要考虑
这个变现定积分函数的极限问题
在我们利用牛顿莱布尼兹公式
得到的表达式中
这个时候lnA括起来的p减1次方
这个p减1是小于0的
所以说这个时候
这个表达式在A趋向正无穷时
它是个正无穷大量
也就是说这时候
无穷积分是发散的
在这个例题中
我们讨论的两个具体的无穷积分
是我们在判断一些
简单无穷积分的敛散性时
经常用到的作为参照物的
两个无穷积分
请大家熟悉它的敛散性
与参数p的它的取值范围的关系
事实上根据无穷积分收敛的概念
以及变现定积分函数它的性质
我们可以知道收敛的无穷积分
与我们前面学习过的定积分
有一些类似的性质
比如说收敛的无穷积分
有所为的线性运算性质
形式上看收敛的无穷积分
也有相应的换元积分公式
和分布积分公式
现在我们来看第五个例题
我们求函数x乘上1的负x方
在零到正无穷这个区间上
无穷积分的值的大小
我们知道在这个问题中
被积函数应该是典型的
可以用分布积分公式
处理的被积函数
所以说我们就利用
分布积分公式
把这个无穷积分
写成了两项作和差
第一项应该是
1到负x方的原函数乘上x
它在负无穷这点的值
减掉0这点的值
请大家注意
这个函数在负无穷这点的值
指的是当X趋向正无穷时
这个函数的极限值
第二部分是加上1的负x次方
在0到正无穷
这个区间上的无穷积分
这个被积函数
它是负的1的负x次方
乘上x的导数
再加上
分布积分公式中的负号得来的
而对于第二个无穷积分
我们可以求出被积函数的原函数
它应该就等于被积函数的原函数
在正无穷这点的值
减掉0这点的值
我们再重复一次
它在正无穷这点的值表示的是
x趋向正无穷时它的极限值
在这个题目的解答过程中
我们就是
形式的运用了无穷积分的
分布积分公式
这在处理具体的计算问题时
会使得问题变得简单
下面我们看第六道例题
我们求x平方分之1
乘上sinx分之1
在π分之2到正无穷
这个区间上的无穷积分值的大小
我们令x分之1等于t
那么dt与dx之间
就差了一个倍数关系
而且我们知道x等π分之2时
t等2分之π
x趋向正无穷时
t应该是趋向0的
所以我们形式的运用无穷积分的
换元积分公式
就将我们要求的无穷积分
转化成了sint在0到2分之π
这个区间上的定积分
我们利用牛顿莱布尼兹公式
就求得了最后的值的大小
是等于1的
第六道例题
我们用的就是
无穷积分的换元积分法
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试