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 > 6.5.2 反常积分(2)
接下来我们来介绍一下
无穷积分收敛性的常用判别方法
我们知道无穷积分
它是利用
变限定积分函数的极限定义的
而变限定积分函数
是要用牛顿莱布尼兹公式求值的
我们知道一般的被积函数
要想求得它的原函数
是非常困难的
所以说对无穷积分来说
我们更关心的并不是它值的大小
因为我们可以有一些
近似的计算方法
得到它的值的大小
我们更关心的
应该是一个无穷积分
是否是收敛的
也就是说一个函数
在一个无穷区间上
它的无穷积分
是否是对着一个确定的值
关于无穷积分的判敛法
在微积分中是一个非常复杂的问题
我们在这只介绍两种特殊的情况
一种情况是当被积函数不变号时
怎么样判断这样的无穷积分
它的敛散性
另外一个情况
就是说我们对被积函数
取完绝对值之后来进行判断
这就是我们这要介绍的
两种基本的判别法
我们先看第一种
就是所谓的比较判敛法
被积函数不变号
要么是大于0 要么是小于0
我们知道收敛的无穷积分
是由线性运算性质
所以说我们只要能够讨论清楚
被积函数大于0的情况就可以了
关于比较判敛法
一般的形式是这样子的
这就是定理8
我们假设函数fx gx
在任意区间a到A上可积
那么当fx大于等于0
小于等于gx
而且gx在a到正无穷上的无穷积分
收敛时
我们就能得到fx对应的无穷积分
也是收敛的
第二个结论是如果fx
大于等于0 小于等于gx
而且fx在a到正无穷上的
无穷积分发散时
那么gx对应的无穷积分
也是发散的
也就是说当被积函数非负时
形象的说就是函数值大的
对应的无穷积分收敛时
函数值小的
对应的无穷积分也收敛
函数值小的无穷积分发散时
函数值大的无穷积分也发散
关于这两个结论
第二个结论应该是
第一个结论的直接推论
所以下面我们给出
第一个结论的证明
我们将fx在a到A的
变限定积分函数
记作FA
gx相应的变上限定积分函数
记作GA
那么在fx和gx非负的前提下
我们知道FA和GA
在A到正无穷上
就是一个单调基增函数
根据单调有界收敛定律
我们知道对这两个函数来说
在A趋向正无穷时
它的极限是否存在
实际上就与这两个函数是否有上限
是等价的
我们来看第一个结论的证明
第一个结论给的条件是
gx对应的无穷积分是收敛的
也就是说GA在A趋向正无穷时
极限是存在的
那么GA它就是有上限的函数
在fx小于gx的前提下
根据定积分的比较定理
我们知道FA是小于等于GA的
这样我们就得到了FA
也是有上限的
所以它是一个单调递增
有上限的函数
那么FA在A趋向
正无穷时的极限就存在
也就是fx在A到
正无穷上的无穷积分
是收敛的
这就是我们常用的比较判敛法
它的证明
关于无穷积分的比较判敛法
除了我们常用的一般形式之外
还有所谓的极限形式
我们下面来看一下它的极限形式
定理9
我们假设函数fx gx
在任意区间上都是非负可积的
而且fx与gx的比值
在x趋向正无穷时的极限等于C
在这儿C可以是有限值
也可以是正无穷大量
那么我们得到的结果是
如果C是一个大于0
小于正无穷的一个实数
这时候fx和gx
在a到正无穷这个区间上的无穷积分
它们就是同时收敛
或者是同时发散的
如果这个比值的极限C等于0
而且gx对应的无穷积分是收敛时
那么我们就能得到fx
对应的无穷积分也是收敛的
如果这个比值极限不存在
但它是正无穷大量
这个时候如果我们还知道
gx对应的无穷积分是发散时
那么我们就能得到
fx对应的无穷积分
也是发散的
在这三个结论中
我们先来看第二第三个结论
我们知道所谓比值的极限等于0
也就是说当x充分大时
分子是远远小于分母的
这样我们自然就可以用
比较判敛法的一般形式知道
对非负函数来说
函数值大的无穷积分收敛
函数值小的无穷积分自然收敛
这就是我们的第二个结论
而对第三个结论
这个比值是正无穷大量
也就是说当x充分大时
fx要远远大于gx
那么gx对应的无穷积分发散时
fx对应的无穷积分
自然也应该是发散的
关于第一个结论
下面我们利用极限的保号性
和比较判敛法的一般形式
给出证明
因为fx与gx的比值
在x趋向正无穷时的极限等于C
C是大于0的一个实数
那么根据保号性
我们知道存在一个正数N
当x大于N时
那么fx比上gx
就大于2分之C小与2分之3倍的C
因为gx是非负的
也就是说fx大于2分之C倍的gx
小于2分之3倍的gx
那么我们利用这个不等式
它的右边这个不等号
就可以说明
gx对应的无穷积分收敛时
fx对应的无穷积分也是收敛的
而利用这个不等式中
左边的不等号
我们自然也能说明白
当gx对应的无穷积分发散时
fx对应的无穷积分也是发散的
这样就证明了这个时候
fx和gx对应的无穷积分
是同时收敛或者是同时发散的
关于比较判敛法的极限形式
有一个特殊情况
也就是说如果我们让
非负函数fx
与xp次方分之1
这个函数做比较时
我们利用xp次方分之1
它的无穷积分
它的敛散性结论
就会得到一个具体的判敛方法
一般的我们把它称为是
比值判敛法的比阶形式
具体的结论就是定理10
我们假设函数fx在区间a到A上
是非负可积的
而且在x趋向正无穷时
xp次方乘上fx
它的极限是等于C
或者是说极限不存在
它是一个正无穷大量
这个时候
我们就能得到下面两个结论
如果这个C
是个具体的实数
无论是等于0还是大于0
只要p是大于1
我们就知道fx对应的无穷积分
是收敛的
第二个结论
如果这个C是大于0的
无论它是个实数也好
还是一个正无穷大量也好
而且这时候p是小于等于1的
我们就能得到
fx对应的无穷积分是发散的
事实上这就是在刚才我们介绍过的
极限形式里面
将gx取成的xp次方分之1
对xp次方分之1
在移到正无穷上
它的无穷积分的敛散性
我们前面是介绍过的
也就是p大于1时它收敛
p小于等于1时它发散
下面我们用比较判敛法
来处理两个简单题目
例7 判断下面
两个无穷积分收敛性
第一个无穷积分
是x除上1加x3次方
在2到正无穷上的无穷积分
我们先来看这个问题
我们知道在x大于等于2时
x除上1加x3次方它是大于0
我们把分母变小
它是小于x除上x三次方
也就是小于x平方分之1
而且我们知道x平方分之1
在2到正无穷上的无穷积分
是收敛的
所以利用比较判敛法
它的一般形式
我们就知道第一个无穷积分
是收敛的
下面我们再来看第二个无穷积分
对于第二无穷积分来说
当参数p等1时
实际上在前面
我们已经专门讨论过这个例题
我们再复习一下
当b等于1时
因为我们了用凑微分可以将
这个变上限定积分函数的表达式求出
从这个表达式我们可以看出
如果指数上的q减1大于0
那么在A趋向正无穷时
它是有极限的
如果q减1小于0
它是没有极限的
所以当p等1时
q大于1收敛
q大于0小于1 它是发散的
如果p等于1 q也等于1
我们利用凑微分法
很容易证明
这个时候
这个无穷积分也是发散的
这是我们前面曾经得到过的结果
下面我们来看p不等于1的情况
如果p是大于1
我们知道这个时候
在x趋向正无穷时
被积函数之所以趋向于0
起主要作用的
应该是xp次方分之1
我们就取
x2分之p加1次方分之1
与这个被积函数做比较
也就是考虑x的2分之p加1次方
除上xp次方
乘上lnx的q次方
这个极限是趋向于0的
这时候因为2分之p加1
是大于1的
所以x的2分之p加1次方分之1
它对应的无穷积分是收敛的
那么根据比较判敛法的极限形式
我们就知道
我们考虑的无穷积分是收敛的
类似的如果p是小于1时
我们同样考虑这个函数
与x2分之p加1次方分之1做比较
也就是考虑x的2分之p加1次方
除上xp次方再乘上lnx的q次方
这个时候这个极限它是不存在的
它是个正无穷大量
而且由于2分之p减1是小于1的
所以x的2分之p加1次方分之1
对应的无穷积分是发散的
所以利用比较判敛法的极限形式
我们考虑的无穷积分
也是发散的
这样我们就讨论清楚了
这个无穷积分它的敛散性
与参数p和q的取值关系
下面我们来介绍无穷积分的
绝对值判敛法
因为比较判敛法处理的
主要是被积函数不变号的情况
当被积函数变号时
我们先介绍我们最常用的
一个简单判敛法
就是绝对值判敛法
先介绍一下绝对收敛
和条件收敛的概念
定义2
如果fx的绝对值函数
对应的无穷积分是收敛的
我们就称fx在相应区间上的
无穷积分是绝对收敛的
如果fx对应的无穷积分是收敛的
但是它的绝对值函数
在相应区间上的无穷积分是发散的
这个时候我们就说
fx在这区间上的无穷积分
是条件收敛的
无论是绝对收敛
还是条件收敛
实际上都是要考虑
函数的绝对值函数
在相应区间上无穷积分的敛散性
这是绝对收敛和条件收敛的定义
我们的绝对值判敛法
给出的就是如果fx的绝对值函数
它对应的无穷积分是收敛的
那么 fx在相应区间上
对应的无穷积分
就一定是收敛的
也就是平时我们说的
绝对收敛的无穷积分
一定是收敛的
有了这个结论之后
对被积函数变号的情况
我们可以通过先取绝对值运算
将它变做是被积函数
不变号的无穷积分来处理
下面我们证明一下
这个绝对值判敛法
根据绝对值的概念和性质
我们知道fx加上fx的绝对值
大于等于0
同时它是小于等于
2倍的f的绝对值
因为fx绝对值对应的
无穷积分是收敛的
所以根据比较判敛法的一般形式
我们就得到fx加上fx的绝对值
对应的无穷积分是收敛的
我们再根据收敛的无穷积分
它的现行运算性质
我们就知道fx加上fx绝对值
再减去fx绝对值对应的无穷积分
是收敛的
也就是fx
对应的无穷积分是收敛的
下面我们来看第八道例题
我们证明sinx除上
x平方的1到正无穷
这个区间上的无穷积分
是绝对收敛的
实际上根据绝对收敛的概念
也就是要证明sinx
除上x平方的绝对值
它对应的无穷积分是收敛的
因为sinx的绝对值
是小于等于1的
所以我们的被积函数是
小于等于x平方分之1的
我们又x平方分之1
在1到正无穷
这个区间上的无穷积分收敛
所以根据比较判敛法
我们就得到了
sinx比上x的绝对值
对应的无穷积分是收敛的
也就是sinx比上x平方
对应的无穷积分是绝对收敛的
对于无穷积分的判敛法
我们最后再做两点说明
我们给出了绝对收敛
和条件收敛的概念
有没有这样的无穷积分
它就是条件收敛的
作为练习请大家在课下证明
sinx比上x在1
到正无穷这个区间上
这个无穷积分
就是一个条件收敛的无穷积分
需要说明的第二点是
我们前面介绍了比较判敛法
和绝对值判敛法
实际上这两个判敛法
只是给出了绝对收敛的无穷积分
敛散性的判断方法
对于条件收敛的无穷积分
它的敛散性
有没有常用的判别法
如果有怎么去用
鉴于课时的原因
在我们的课中不再做介绍
感兴趣的同学
可以查看一般的微积分教材
在这一讲中
我们介绍了
无穷积分要研究的问题
给出了它们收敛 发散的概念
因为无穷积分
就是变限定积分函数
在积分限趋向于无穷远时的极限
所以我们要用函数极限的观点
来研究无穷积分的问题
关于无穷积分的判敛法
比较判敛法
是当被积函数非负时
函数的单调有界收敛定理
在变限定积分函数的直接应用
比阶形式是比较判敛法的
常用形式
绝对值判敛法
只是给出了绝对收敛
无穷积分的判敛方法
下一讲将介绍
反常积分的另一种情形
即瑕积分
谢谢同学们
下一讲 再见
-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
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