当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第七章 定积分 > 第七节 反常积分 > 反常积分
好现在我们开始
我们定积分的一个新的内容
就是所谓的反常积分
我们要讨论反常积分
首先我们要做的事情就是什么叫正常积分
也就是说我们原来讲的定积分的定义的时候
我们先说了两句话
就是有界函数
在有界区间上
有界区间上的有界函数
这是我们讲定积分的一个先决条件
有界区间上的有界函数
然后我们再去做分割啊取点啊
黎曼和啊求极限啊
判断无关性
然后再做后面这些事情
所以这两个条件是定积分的先决条件
所以我们将所谓的正常积分
也就是我们原来讲过的定积分
它是在这两个条件下才能得到的
那么我们讲反常积分
我们就要讨论另一类积分就是
这两个条件某一个不满足
或者说两个都不满足
我们把不满足上面那个条件的定积分
如果不满足的时候
我们把这个积分就叫做无穷区间的反常积分
那么区间两个字有时候就不提了
就叫无穷积分
我们把如果说这个条件
有界函数不满足
也就是说有界区间上的无界函数的积分
我们把它叫做瑕积分
所以我们把无界积分
和瑕积分这两类积分把它统称为反常积分
第一件事情我们先来讨论无界积分
无穷积分
我们讨论简单一点的情况
我们给了f(x)这个函数
它是定义在某一个a点到正无穷
这个区间上有定义的函数
并且满足这么一个条件
对于任意的A大于a
f这个函数都在[a,A]上它是可积的
黎曼可积函数
那么也就是说我们现在讨论的是
a到正无穷这么一个无界区间
一旦把无界区间的那一头给它框住
也就是说用A给它限制住
那么从a到A变成一个有界区间
有界区间当然f还是一个有界函数
有界函数有界区间我们讨论
可以讨论它的正常的原来的定积分
那么我们可以说
我们给了f一些条件
f是在a到A这个上面都是可积的
既然这样的话我们可以发现
从a到Af(x)dx
既然可积的话
这就是一个积分的值
我们现在所谓的无穷积分的话
我们讨论的是a趋于正无穷的时候
如果a趋于正无穷的时候
这么一个积分的极限存在
那么我们则称
反常积分a到正无穷f(x)dx
这么一个反常积分是收敛的
并且我们把它记成从a到正无穷
f(x)dx就等于
limtA趋于正无穷
从a到Af(x)dx极限值
我们把这个存在的极限值
就记成是从a到正无穷这么一个反常积分的积分值
这是我们讲如果说它收敛的话
可以给这么一个定义
这就是反常积分
无界区间上的反常积分的定义
有收敛也就是说有存在
我们把它叫做收敛
那反过来讲
如果说这个极限a趋于正无穷
从a到Af(x)dx的极限如果不存在
那么我们就叫做这个反常积分
从a到正无穷f(x)dx
这个反常积分我们把它叫做发散
所以反常积分可以收敛也可以发散
如果极限存在我们把它叫收敛
极限不存在
我们把它叫发散
对于反常积分的问题
通常是两类问题
第一类就是计算
当然在计算的前提条件
是要反常积分要收敛
这收敛的前提条件我们算这么一个反常积分
或者说我们算出来的反常积分一定是收敛的
因为极限我算都算出来了
极限一定存在
所以它一定收敛
但算不出来并不表示不收敛
因为收敛性的判断
还有一个就是收敛性的判断
我们能够算
那么通常的办法当然是牛顿莱布尼兹公式
我们算完从a到A的积分然后取极限
这是我们通常的一种算法
我们知道用牛顿莱布尼兹公式
前提条件是要那个不定积分
或者原函数要算出来
那么这个当然对被积函数
需要简单一点才可以算出来
稍微复杂一点的话有可能就算不出来
那么对更复杂的那些函数
被积函数来讲
算可能会比较困难
甚至是算不出来
但是我们讨论收敛不收敛
也就是这个反常积分到底存在不存在
这也是我们要做的一个问题
好我们来看两个例子
我们要求极限
求这个反常积分
arctanx除以x平方dx
要求这么一个无穷积分
根据定义来讲
我们只要求
limA趋于正无穷
从a到A
arctanx除以x平方的这么一个定积分
我们先不管极限
我们先把那个a到A的定积分算出来
从a到Aarctanx除以x平方的dx
又回到我们原来的算不定积分的那个过程
arctan这个函数本身很麻烦
没有什么太好的处理办法
但是它最大的特点是导数简单
所以我们所用的方法就是分部积分法
就等于负的从a到A
a是等于1a是1
这是我们定数是1
这个给它写成1
从1到Aarctanxd的x分之一
我们把这个函数叫做u(x)
把这个函数叫做v(x)
那就是u(x)dv(x)
根据分部积分法就等于负的
x分之一乘上arctanx从1到A
本来是减号现在变成加号了
有一个负号
从1到Ax分之一再乘上arctanx导数
是1加x平方分之一dx
这么一个被积函数
我们把它叫做分式有理函数
可以写成一些模式的和
那么这当然很简单
负的arctanA除以A
把上下代进去
再加上减去
前面是负号四分之π
这是第一项
再加上从1到A
x分之一减去x除以1加x平方
这么一个dx
我们把这个算一下
就等于负的arctanA除以A加上四分之π
这是第一项
加上后面那个是对数函数
lnA减去ln1
我把它写一下ln1
这是x分之一
从1到A的这么一个积分
再减去后面是二分之x
二分之dx平方
所以等于二分之一的ln(1加x平方)从1到A的积分
我们把它A和1通通写进去之后
就等于第一项是四分之π
减去arctanA
除以A第二项
再加上lnA这是0
再减去二分之一的ln1加A的平方
后面把1代进去
再加上二分之一的ln2
这是全部的从1到A的这么一个定积分值
下面我们就要很简单来讨论A趋于正无穷时
它的极限
那么当A趋于正无穷的时候
它的极限第一项极限是0
因为arctanA趋于二分之π
A趋于正无穷
所以正无穷是0
第二项的极限是不存在的
但是第二项和这两项的和的极限
你可以发现
这时候它的和的极限正好存在的
而这个极限恰好是等于0
所以我们可以发现
这个就等于limA趋于正无穷
我们把要要的常数
π/4加上二分之一ln2减去arctanA除以A
后面是再加上ln(A除以根号1加A平方)
根据上下这个极限是0
这个极限是0
最后这个答案
就是等于π/4加上二分之一ln2
从这道例题我们可以发现
如果你要试图去算一个无穷积分
实际上就是变成了两个问题
第一个就是算一个从一个常数
现在是1到A的这么一个定积分
然后再去求极限
定积分的问题我们已经是会的了
我们讲定积分讲了很长时间了
都应该会算了
极限的问题我们也是会的
所以这两个问题
实际上是我们会的
所以说计算无穷积分的问题
实际上我们已经解决了
那我们后面再讲一个计算无穷积分的问题
之所以在这讲这么一个问题
因为我们后面几节都会用上这个结论
我们来讨论从1到正无穷
dx除以xp次方
其中p是大于0的一个常数
我们根据p的不同情况
来算这么一个积分
并且最主要的我们还要来讨论
当p在什么范围内的时候
这么一个无穷积分是收敛的
在什么范围内的时候
这个无穷积分是发散的
这个结果我们后面马上就要用
我们来看看第一种情况
当p是等于1的时候
当p等于1的时候
实际上从1到正无穷dx除以x
就等于limA趋于正无穷
从1到Adx除以x
也就等于limA趋于正无穷
lnA减去ln1
ln1是等于0的
这个极限一写我们知道它一定是等于正无穷的
也就告诉我们正无穷
通过极限
它只是说趋势
我们不能说是极限存在
所以我们可以知道p等于1的时候
这么一个反常积分它是发散的
原积分发散
第二种情况当p是不等于1
但是还保证p大于0
那么1到正无穷
dx除x的p次方
就等于limA趋于正无穷
1到A上积分dx除x的p次方
就等于x的1-p次方除以1-p分之一
再limA趋于正无穷
我们把1和A都放进去
也就等于limA趋于正无穷
我们来看看1-p
A的(1-p)次方
再减去1代进去是(1-p)分之一
我们来讨论这么一个极限的存在性
A是趋于正无穷的
那么我们就来讨论
这时候p的值完全就决定了这个极限的存在性
第一种情况
如果p这个值是大于1的
p如果是大于1的话
实际上A应该是一个负幂次方
所以A趋于正无穷的时候
第一个极限是趋于0的
这种情况下
我们可以知道
从1到正无穷
dx除xp次方
等于(p-1)分之一
这个极限是存在的
也就告诉我们
原来的无穷积分是收敛的
这个无穷积分是收敛的
并且收敛的值就等于(p-1)分之一
第二种情况p如果是大于0小于1的话
这时候我们来发现
p如果说大于0小于1的话
实际上A是正幂次方
那么当A趋于正无穷的时候
这个一定是趋于正无穷的
既然趋于正无穷了的话
那么我们知道这个无穷积分
原来无穷积分从1
到正无穷dx除x的p次方是发散的
那么最后的结论是什么
对于这么一个讨论的无穷积分
我们可以讨论它的收敛性
当p大于1的时候是收敛的
p大于0小于等于1的时候都是发散的
所以从1到正无穷这么一个无穷积分
x的p次方分之一p是大于0
我们有这么一个相对来讲比较好的结论
p是大于0小于等于1的时候
这个无穷积分发散的
p是大于1的时候
这个无穷积分是收敛的
而且收敛值当然我们可以马上算出来
等于(p-1)分之一
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
-第一节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
-- 函数的可积性
--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
--变上限积分
--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
-第五节 定积分的几何应用
--平面区域的面积
--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习