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 > 6.5.3 反常积分(3)
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
本讲将介绍
有限区间上无界函数的反常积分
下面我们来介绍有限区间上
无界函数的反常积分
有限区间上无界函数的反常积分
我们有时也称它为是瑕积分
我们首先看两个简单的例题
例1 我们求介于曲线
y等根下x分之1
与x轴之间的区域的面积
从图上我们可以看出
我们要求面积的这块区域
也是一个无界区域
所以说尽管我们考虑的是
0到1这个区间
但是这个面积的计算问题
并不是我们习惯的
定积分的计算问题
我们可以先利用x等A x等1
以及Y等根下x分之1
和x轴围成一块
有界的曲边梯形
我们用DA来表示
DA的面积我们用SA来表示
SA就是根下x分之1
从A到1的定积分
我们利用牛顿莱布尼兹公式
就求得这块曲边梯形的面积值
是等于2减去2倍的根下A
我们要求的区域面积
就是让x等A这条垂直x轴的直线
充分的靠近Y轴
也就是让A大于0趋向于0取极限
所以我们要求的无穷区域的面积
就等于SA在A大于0
趋向于0时的极限
也就等于2
这就是我们要求的面积值
下面我们来看第二道例题
我们求抛物线段
y等2倍根下x的长
x的取值范围是0到1
我们知道对于这条抛物线来说
它对应的弧长微元dl
就等于根下
1加y关于x导数的平方
再乘上dx
我们将y的导数代入
也就等于根下x加1
再除上根下x乘上dx
那么我们要求的抛物线段的长
应该就是对弧长微元
关于x从0到1作定积分
但是在这个问题中我们发现
这个被积函数
在0这点附近是一个无界函数
所以它在0到1区间上
是没有定积分的
与第一道例题类似
我们可以先求x从A到1对应的
抛物线的长
也就是对这个弧长微元
从A到1上作积分
作完积分之后
我们再让A大于0曲线0取极限
这极限值就应该是
我们要求的这个长度
在这两个例题中
实际上我们碰到的
都是同一个问题
就是说尽管我们考虑的区间
是一个有限长度的B区间
但是我们碰到的
是在这个有限长度
B区间上的无界函数
对于这样的问题
我们怎么样讨论
与定积分类似的东西
我们的处理方法
仍然还是借用变限定积分函数
它的极限来处理这样的问题
在前面介绍无穷积分时
我们考虑的是变限积分函数
在上限或者是下限
趋向正无穷或者是
趋向于负无穷时的极限
而在这个地方
我们讨论的是积分线
趋向一个点的左侧
或者是右侧的情况
我们把这个问题
处理成一般的情况
就是我们要讨论的瑕积分问题
我们先介绍瑕积分的有关概念
为了讨论瑕积分的概念
先给一处函数瑕点的定义
我们假设函数fx
在区间ab上有定义
c是区间内的一点
如果对于任意的δ大于0
fx在c减δ到c加δ这个区间上
都是无界的
我们就称c是
函数fx的一个瑕点
通俗的说就是
如果函数在这点附近有定义
但是在这点附近
它是一个无界函数
那么这点就是函数的瑕点
如果我们考虑的瑕点
是区间的端点
也就是说如果它在一个区间的
有端点的右侧附近
总是无界函数
那么这个区间的左端点
就是这个函数的瑕点
如果它在一个区间的
右端点的左侧附近
总是无界函数
那么这个区间的右端点
就是函数的瑕点
下面我们给出瑕积分的定义
定义3
设a是函数f的瑕点
对于任意的
介于ab之间的一个数A
fx在A到b这个区间上定积分存在
如果fx在A到b这区间上的
变下限定积分函数
在下限A大于a趋向a时极限存在
我们就说fx
在a到b这个区间上的
瑕积分是收敛的
瑕积分的值的大小
就定义为是这个变下限定积分值
在下限趋向A正时的极限值
请大家注意瑕积分的记号
与定积分的记号完全一样
也就是看到一个这样的表达式
它到底是定积分
还是瑕积分
主要关心的是我们这个fx
如果在这个区间ab上
是一个无界函数
那它表示的就是一个瑕积分
如果fx在区间ab上
是一个有界函数
它表示的应该就是定积分
类似的
如果我们区间的右端点
是瑕点的时候
那么fx在a到b为区间上的瑕积分
就定义为a到B这个变上限积分函数
在B小于b趋向b时的极限值
如果我们函数的瑕点
是在ab之间
这个时候我们就利用瑕点c
把ab区间分成ac和cb两个区间
对ac区间我们就考虑
右端点是瑕点的瑕积分的情况
也就是fx在a到c上的瑕积分
对cb区间
我们就考虑区间的左端点是瑕点的
瑕积分的情况
所以说这个时候
我们就说如果fx
在a到c这个区间上的瑕积分
与fx在c到b这个区间上的瑕积分
都收敛时我们就称
fx在a到b这个区间上的瑕积分
是收敛的
而且它在a到b区间上的
瑕积分的积分值
就等于它在a到c
这个区间上的瑕积分值
加上fx在c到b
这个区间上的瑕积分值
关于瑕积分
我们也有两点说明
第一点我们给出了
瑕积分收敛的定义
如果瑕积分不收敛时
我们就说瑕积分是发散的
在前面的定义中
我们只考虑了
在我们讨论的区间上
函数只有1个瑕点的情况
如果在一个区间上
函数有多个瑕点的时候
我们一般就是利用瑕点
把区间分成不同的区间
使得每个区间中只有一个瑕点
这时候我们再去讨论
相应小区间上瑕积分的收敛性
如果每个小区间上
对应的瑕积分都是收敛时
我们才说它在整个区间上
对应的瑕积分是收敛的
我们需要说明的第二点是
根据瑕积分收敛的概念
我们知道收敛的瑕积分
具有与定积分类似的
一些运算性质
和运算公式
比如我们常用的线性运算性质
或者是我们常用的换元积分公式
与分布积分公式
下面我们看几道例题
例3
求下面这两个瑕积分的值
对第一个瑕积分我们知道x等于1
是这个被积函数的瑕点
那么根据瑕积分的定义
我们要求的瑕积分值
也就等于这个被积函数
在0到A上的定积分值
在A小于1趋向1时的极限值
我们利用牛顿莱布尼兹公式
我们求得这个被积函数
在0到A上的积分值
就应该等于arcsinA
那么在A小于1趋向1时
它是趋向于2分之π的
所以这就是我们求的
第一个瑕积分的积分值
下面我们来看第二个瑕积分
对第二个瑕积分来说
x等0应该是被积函数lnx的瑕点
那么根据瑕积分的定义
我们知道我们要求的这个瑕积分
就是lnx在A到1上的定积分值
当A大于0趋向0时的极限
我们利用牛顿莱布尼兹公式
可以求出这个函数
在A到1上的定积分值
也就是负1减去
A乘上lnA再加上A
这个表达式在
A大于0趋向0时的极限
是等于负1的
这就是我们要求的
第二个瑕积分的积分值
接下来我们来看第四道例题
我们判断x的p次方分之1
在0到1这个区间上的瑕积分
它的收敛性
我们知道在p大于0时
那么x等0应该是
这个被积函数的瑕点
我们对参数p的取值进行讨论
如果p是等1时
那么x分之1
它的原函数应该是lnx
它在A到1上的定积分值
就应该是负的lnA
那么这个定积分值
在A大于0趋向0时
是一个正无穷大量
所以我们考虑的瑕积分
在p等于1时是发散的
如果p是大于1时
我们考虑的瑕积分
也就是x的p次方分之1
在A到1上的定积分值
当A大于0趋向0是个极限
请大家注意这个时候
我们求出的表达式中
A到p减1次方分之1这个部分中
p减1是大于0的
所以A大于0趋向0时
这个表达式是一个正无穷大量
也就是说p大于1时
我们的瑕积分是发散的
如果参数p小于1
我们可以同样的
求出xp次方分之1
在A到1上的定积分值
在这个表达式中
A的1减p次方
这个指数1减P是大于0的
所以这个表达式
在A大于0趋向0时的极限
是存在的
它的值就等于1减p分之1
也就是p小于1时
我们的瑕积分是收敛的
也就是对我们讨论的瑕积分来说
p大于等于1发散
P小于1是收敛的
同样的如果我们考虑的瑕积分
是x减a括起来p次方分之1
在ab区间上这个瑕积分
或者是我们考虑的是
b减x括起来p次方分之1
在ab区间上这个瑕积分
我们的结论仍然是
只要p小于1
这两个瑕积分都是收敛的
p大于等于1
这两个小积分都是发散的
-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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