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 > 6.5.4 反常积分(4)
下面我们来介绍一下
瑕积分的判敛法
关于瑕积分的判敛法
与无穷积分的判敛法
情况是类似的
我们也是只讨论两种简单的情况
第一种情况
就是当被积函数不变号时
我们主要给出比较判敛法
第二种情况
当被积函数正负号改变时
我们给出绝对值判敛法
我们首先看瑕积分的比较判敛法
我们只要能够讨论清楚
被积函数大于0的情况
那么被积函数小于0的情况
类似的可以得到
所以说我们在这总是假设
被积函数是非负的
比较判敛法
它的一般形式
定理12
我们假设
a是函数fx与gx的瑕点
fx gx在区间ab上非负
而且fx小于等于gx
如果对于任意的
介于ab之间的一个实数A
fx gx在区间
A到b上是可积的
那么我们就能得到下面几个结论
第一个结论
如果gx在ab区间上
对应的瑕积分是收敛时
那么fx
在ab区间上对应的瑕积分
也是收敛的
如果fx在ab区间上
对应的瑕积分发散时
那么gx在ab区间上
对应的瑕积分也是发散的
实际上对非负函数来说
比较判敛法
就是说函数值大的瑕积分收敛
那么函数值小的
瑕积分一定收敛
函数值小的瑕积分发散
那么函数值大的瑕积分
就一定发散
由于这个定理的证明
与无穷积分的比较判敛法
它的证明是类似的
用的仍然是单调有界收敛定理
所以说关于它的证明
我们在这不再重复
除了一般形式之外
瑕积分的比较判敛法
也有常用的极限形式
具体内容是定理13
我们假设a是函数
fx与gx的瑕点
fx gx在区间ab上非负
而且对于任意的介于ab之间的
一个实数A来说
fx gx在区间
A到b上总是可积的
如果fx与gx比值
在x大于a趋向a时的极限存在
等于c 或者是说极限不存在
但是正无穷大量
我们就会得到下面三个结论
第一个也就是说
如果比值的极限是大于0的
那么fx和gx
在ab区间上对应的瑕积分
就是同时收敛或者是同时发散
第二个结论
如果fx与gx
这个比值的极限等于0
而且gx在ab区间上
对应的瑕积分收敛
那么fx在ab区间上
对应的瑕积分
也一定收敛
第三个结论
如果比值的极限不存在
但是这个比值是个正无穷大量
如果我们还知道gx
在ab区间上的瑕积分是发散时
我们就会得到fx
在ab区间上对应的瑕积分
也是发散的
关于瑕积分比较判敛法的
极限形式
于我们前面介绍过的
无穷积分比较判敛法的
极限形式的
证明情况是类似的
在这我们也不在重复
最后我们给出
比较判敛法的比阶形式
定理14
我们假设a是函数fx的瑕点
fx在区间ab上非负
而且对于任意的
介于ab之间的实数A来说
fx在区间A到b上是可积的
如果x减A的p次方乘上fx
在x大于a趋向a时的
极限存在等于C
或者是说这个乘积
在这个极限过程下
极限不存在
但它是正无穷大量
那么我们就能得到下面两个结论
如果C是大于等于0小于正无穷
也就是说上面这个乘积的极限
是存在的
如果p是小于1时
我们就知道
fx在ab区间上的瑕积分
是收敛的
第二个结论
如果C是大于0的
也就是说上面
这个乘积在这个极限过程下
极限如果存在
它不要等0
或者说它是正无穷大量
而且这个时候
p又是大于等于1的
我们就能得到fx
对应的瑕积分是发散的
实际上比阶形式
也就是在极限形式中
我们将gx取成了x减a
括起来b次方分之1
根据这个函数在a到b区间上
对应的瑕积分的敛散性
相应的就得到了fx在ab区间上
对应的瑕积分的敛散性结论
下面我们利用比较判敛法
来做两个具体的题目
例5 判别下列
两个瑕积分的敛散性
在第一个瑕积分中
我们知道x等0
是这被积函数的瑕点
而在第二个瑕积分中
x等1是被积函数的瑕点
我们先看第一个瑕积分
因为在x大于0趋向0时
我们知道sinx跟x
是等价无穷小
那么根下sinx与根下x
自然也就是等价无穷小
所以我们就直接取
x的2分之1次方
乘上1除上根下sinx
这表达式在x大于0趋向0时
它的极限是等于1的
而且我们知道根下x分之1
在0到1这个区间上的
瑕积分是收敛的
所以我们就知道
我们要判断的第一个瑕积分
它也是收敛的
对于第二瑕积分
我们用1减x的2分之1次方
与被积函数相乘
利用1减x三次方的因式分解
我们就知道这个表达式
就可以化解为根下x
除上根下1加x
再加上x平方
这个表达式在x小于1
趋向1时的极限
就等于根下3分之1
而且我们也知道
根下1减2分之1
在0到1这个区间上的瑕积分
也是收敛的
这样我们就判断了
我们要考虑的第二个瑕积分
也是收敛的
这个例题中
两个瑕积分的判敛方法
利用的就是瑕积分比较判敛法的
比阶形式进行判别的
能否使用好比阶形式
主要有赖于大家对于一些常用的
等价无穷小的掌握情况
下面我们介绍瑕积分的
绝对值判敛法
同样的我们给出瑕积分绝对数量
和条件收敛的概念
定义4
我们假设a是函数fx的瑕点
如果fx的绝对值在ab区间上
对应的瑕积分是收敛的
那么我们就称fx在ab区间上
对应的瑕积分是绝对收敛的
如果fx在ab区间上
对应的瑕积分是收敛的
但是它的绝对值函数
在ab区间上对应的
瑕积分是发散的
这个时候我们就说
fx在ab区间上的瑕积分
是条件收敛的
瑕积分的条件收敛
和绝对收敛的概念
与无穷积分条件收敛
和绝对收敛的概念
是完全一样的
下面我们给出
绝对值判敛法的内容
定理15
我们假设a是函数fx的瑕点
如果fx的绝对值函数
对应的瑕积分是收敛的
那么fx在相应趋严上
对应的瑕积分就一定是收敛的
也就是说绝对收敛的瑕积分
一定是收敛的瑕积分
这就是绝对值判敛法的内容
关于他的证明
与无穷积分绝对值判敛法的证明
是完全一样的
我们在这也不再累述
接下来我们看第六个例题
我们判断sinx分之1
除上根下x
在0到1这个区间上
这个瑕积分的收敛性
在这个瑕积分中
我们知道被积函数在01区间上
总是变号的
所以我们考虑它的绝对值函数
我们知道sinx分之1的绝对值
除上根下x是
小于等于根下x分之1的
而且我们还知道根下x分之1
在0到1这个区间上
对应的瑕积分是收敛的
所以根据绝对值判敛法
我们就知道我们要考虑的瑕积分
是绝对收敛的
当然 也是收敛的
下面我们来看第七道例题
我们判断下面
这反常积分的收敛性
这个反常积分考虑的是函数lnx
除上1加x方在0到正无穷
这个无穷期间上的情况
我们知道在这个反常积分中
既出现了无穷区间的情况
实际上也出现了瑕点的情况
因为x等0是这个
被积函数的一个瑕点
关于这类问题
我们就给它分作不同的
区间进行讨论
所以这个函数
在0到正无穷上的反常积分
我们就写成
这个函数在0到1区间上的瑕积分
与这个函数在1到
正无穷区间上的无穷积分之和
根据定义只有当这个瑕积分
和无穷积分都收敛时
我们才说我们讨论的反常积分
是收敛的
关于瑕积分我们知道它
之所以无界
实际上主要就是lnx起作用
所以我们就用这被积函数
与lnx做比值
考虑这个比值
在x大于0 趋向0时的极限
这个极限是等1的
而且我们知道lnx
在0到1上的瑕积分
是收敛的
所以我们考虑到
瑕积分也是收敛的
对于第二个无穷积分
我们知道x趋向正无穷时
起主要作用的
应该是分母上这个1加x平方
我们就用x的2分之3次方
与这个被积函数作乘积
大家可以求出来
这个乘积在x区间正无穷时
它的极限是等0的
而且我们知道
x的2分之3次方分之1
在1到正无穷这个区间上的无穷积分
它是收敛的
所以我们要考虑的无穷积分
也就是lnx除上1加x平方
在1到正无穷区间上的无穷积分
也是收敛的
这样我们就得到了
我们要考虑的反常积分
是一个收敛的反常积分
这个例题实际上给出的就是
如果在我们讨论的问题中
既有瑕点 又有区间无穷时
实际上我们就将这个区间
分作几个不同的区间
把它化作是只有瑕点
和只是无穷区间的情况
下面我们看第八道例题
我们定义一个函数
这个函数称作是Γ函数
也就是我们考虑xp减1次方
乘上e的负x次方
在0到正无穷
这个区间上的反常积分
这个反常积分
它如果收敛时
它的值的大小一定是
与参数p有关的
所以可以理解成是
参数p的一个函数
我们求这个函数的定义域
并且求这个函数在
n加1这点的函数值
这n指的是自然数
首先我们来求Γ值的定义域
我们知道如果
p减1大于等于0时
那么我们的被积函数
在0到正无穷上就没有瑕点
我们考虑的反常积分
就是一个无穷积分
对于这个无穷积分
我们将他的被积函数
与x平方分之1做比
也就是考虑x平方
乘上xp减1次方
再乘上1的负x次方
我们考虑这个表达式
在x趋向正无穷时的极限
这个极限是等0的
因为x平方分之1
在0到正无穷
这个区间上的无穷积分
是收敛的
所以我们这被积函数
在1到正无穷
这个区间上的无穷积分
也是收敛的
因为无穷积分的收敛性
与有限区间上的函数值
是没有关系的
所以我们就得到了
我们要考虑的这个被积函数
在0到正无穷
这个区间上的无穷积分
是收敛的
也就是说p减1大于等于0时
这个Γ函数是有定义域的
接下来如果p减1小于0
也就是p小于1时
我们知道0就是
这个被积函数的瑕点
我们将0到正无穷这个区间
处理成0到1区间与1
到正无穷区间
也就是将我们考虑的反常积分
处理成一个瑕积分
与一个无穷积分之和
我们知道后边这个无穷积分
它一定是收敛的
而前面这个瑕积分
大家可以看e的负x次方
在x趋向0时极限是1
所以说这个瑕积分是否收敛
主要是看1减p是否小于1
也就是说1减p如果小于1
也就是p大于0时
第一个瑕积分是收敛的
同时第二个无穷积分也是收敛的
也就是说这个时候
我们考虑的反常积分是收敛的
Γ函数是有定义域的
这样我们就得到了
Γ函数的定义域
就是p大于0
也就是写成区间的形式
就是0到正无穷
接下来我们来求Γ函数
在n加1这点的函数值
根据Γ函数的定义
我们要求的函数值
也就是x的n次方
乘上e的负x次方
在0到正无穷这个区间上的
反常积分的积分值
我们用分布积分公式
将这个反常积分
表示成两部分之和
在第一部分中
这个函数在x区间
正无穷时的极限
是等0的
在x取0时的函数值也是等0的
所以第一部分是等于0的
这样就把我们的Γ
在n加1这点的函数值
与Γ在n这点的函数值
联系起来了
实际上我们就得到了Γ函数
函数值的一个简单的递推公式
我们反复的运用这个递推公式
就会得到Γ函数
在n加1这点的函数值
就等于n的阶乘再乘上Γ函数
在1这点的函数值
Γ函数在1这点的函数值
也就等于1的负x次方
在0到正无穷这个区间上
反常积分的积分值
我们利用反常积分积分值的定义
就会求出这个积分值是等1的
所以我们就求出了Γ函数
在n加1这点的函数值
就等于n的阶乘
这实际上是
这个特殊函数的一个简单性质
接下来我们看第九道例题
我们定义另外一个函数
这个函数叫β函数
也就是定义x的p减1次方
乘上1减x的q减1次方
在0到1这个区间上的
反常积分值
是β函数在pq这点的函数值
我们求这个函数它的定义域
也就是求当参数p和q
它的取值范围是什么时
这个反常积分是收敛的
我们知道x等0和x等1
都可能是这个被积函数的瑕点
所以我们就把0到1
区间上的反常积分
表示成0到
2分之1区间上的瑕积分
与2分之1到1区间上的
瑕积分之和
对第一个瑕积分来说
它是否收敛
我们主要关心就是
x的1减p次方
这个1减p是否小于1
而对第二个瑕积分来说
这个瑕积分是否收敛
我们关心的主要就是
1减x的1减q次方
这个指数1减q是否小于1
对于这两个瑕积分来说
因为x的1减p次方
乘上被积函数
在x大于0趋向0时
它的极限等于1
而1减x的1减q次方
乘上被积函数
在x小于1趋向1时的极限是1
所以第一个瑕积分
就与x的1减p次方分之1
对应的瑕积分
它的敛散性是一致的
而第二个瑕积分
就与1减x括起来
1减q次方分之1
它对应的瑕积分收敛性是一致的
也就是说当1减p小于1
和1减q小于1
也就是p大于0
而且q大于0时
我们考虑的两个瑕积分
都是收敛的
这样我们就知道
我们考虑的
β函数对应的反常积分
在p大于0 而且q大于0时
它是收敛的
所以β函数的定义域
就是p大于0和q大于0
在这一讲中
我们给出了函数瑕点的定义
并介绍了当瑕点是区间端点
或区间内点时
瑕积分收敛发散的概念
瑕积分就是变限定积分函数
在积分限趋向于瑕点时的
单侧极限
从形势上看
瑕积分与定积分的记号相同
但是我们知道定积分的被积函数
只能是有界函数
瑕积分的判敛法
与无穷积分的判敛法类似
有助于两着之间的区别于联系
我们知道反常积分
具有非常广泛的应用
像我们介绍的Γ函数和β函数
就是由反常积分得到的
两个重要函数
反常积分的内容非常丰富
但是在我们的课程中
我们只是介绍了
反常积分的基本概念
和最基本的判敛法
如果需要时
大家可以翻阅一般的
数学分析教材
本章介绍了换元积分法
分布积分法
有理函数和三角有理式的积分
定积分的应用举例
无穷积分和瑕积分等内容
到此我们就将
一元函数积分学的内容
全部介绍完了
从下一讲开始
我们将学习微积分中的
一个全新内容
这就是无穷级数
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
-期末考试--期末考试