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非负函数无穷积分的收敛性

下一节:一般函数无穷积分的收敛性

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非负函数无穷积分的收敛性课程教案、知识点、字幕

好在上一章我们讲了

无界的无穷区间的广义积分的计算问题

我们把一个无界区间上的

从a到正无穷f(x)dx这么一个广义积分

最后把它归结成为这么一个极限

limA趋于正无穷

从a到Af(x)dx

如果说这个极限是存在的

那么我们就称这个广义积分是收敛的

这个广义积分的积分值

就用这个极限来定义

那么我们知道

这么一个过程

本身是由两件事情组成

第一件事情就是从a到A

这么一个定积分的问题

第二件事情

就这个无穷求极限的一个问题

而这两件事情

实际上我们都已经讲过

定积分也讲过

求极限也讲过

所以这个问题

计算的问题实际上我们已经解决了

那么现在我们想做的事情

是关于非负的

我们首先假设是非负的函数

无穷积分的收敛性判断

我们不是去算

我们直接来判断它的收敛性问题

尤其是对那部分函数

被积函数f(x)复杂一点

它的不定积分很难算

甚至不定积分不是初等函数所能表示出来的

那么那部分函数

如果说你从计算的角度上来讲

根本就行不通的

那么我们可以来判断

它广义积分的收敛性问题

所谓非负函数指的是f(x)大于等于0

当x属于a到正无穷的时候

值得注意的一点是

我们这个非负的条件

给得太强了

我们来看一看

那么我们讲f(x)这个非负

如果说我们要讨论从a到正无穷f(x)这个函数的无穷积分

那么我们对任意的A来讲

我们可以把它写成从a到A f(x)的常义积分

也就是说就是一个定积分

再加上从A到正无穷f(x)dx

前面那个积分

就是我们通常的一个定积分

后面那个才是广义积分

而这个积分就是一个数

就是一个实数

所以原来从a到正无穷的广义积分的收敛性

是到底收敛不收敛

实际上所涉及的

就是这个广义积分

到底收敛不收敛的问题

所以我们讲

x在a到正无穷上

f(x)都大于等于0

这个条件就给强了

实际上这个条件可以简陋到

如果存在着某一个M大于a

使得x呢从M到正无穷这个范围内

能够保证f(x)大于等于0

那么后面我们所讲的

判断无穷积分的收敛性的问题

那种法则依然是成立的

这是第一要说明的事情

第二件事要说明的

f(x)大于等于0

我们下面的办法行得通

实际上来讲

如果f(x)在这个范围内小于等于0

恒小于等于0

以下的方法实际上也是行得通的

那么对非负函数来讲

我们要讨论

从a到Af(x)dxlimA趋于正无穷

我们要讨论广义积分的收敛性

实际上就要讨论

这么一个极限的存在性

对于这个极限的存在性

我们有一个非常显然的一个定理

或者说有一个判断法则

如果有两个函数

0小于等于f(x)小于等于g(x)

当x属于从a到正无穷的时候

如果说a到正无穷g(x)这么一个无穷积分是收敛的

则从a到正无穷f(x)这个无穷积分也收敛

反过来讲

如果a到正无穷f(x)dx这么一个无穷积分是发散的

则从a到正无穷g(x)dx也是发散的

那么这个定理告诉我们

如果有两个非负函数

一个叫f(x)一个叫g(x)

两个非负函数g(x)是大的

f(x)是小的有大有小

那么结论就是

如果大的那个非负函数的广义积分如果收敛的话

小的一定收敛

反过来来讲

如果小的广义积分已经发散了

那么大的函数的广义积分

一定是发散的

我们证明一下

我们来看一看

这么构造的变上限积分

我们把这个叫做F(A)

因为f(x)是大于等于0的

当x属于从a到正无穷的时候

所以我们可以知道

F(A)应该是一个单调的函数

当F(A)既然是一个单调的函数

单调增的函数

那么我们可以知道

对于一个单调增的函数

要证明它当A趋于正无穷的时候有极限存在

也就是我们这个反常积分是收敛的

那么只要证明它有上界就行了

只要证明这个F(A)是有上界的

那么我们就可以知道

F(A)这个函数当A趋于正无穷的时候

它的极限一定是存在的

那么F(A)的上界是什么东西

我们来看看F在A点的值就等于a到Af(x)dx

根据我们讲过的定积分的保序关系

也就是说原来两个函数有大有小

在定积分的情况下如果下限小于上限的话

那么保持了原来的大小关系

它一定小于等于

从a到Ag(x)的dx

因为f(x)小于等于g(x)

所以呢它的积分也有这个大小关系

那么我们可以知道

因为g(x)这个广义积分

如果是收敛的话

那么一定小于等于从a到正无穷g(x)dx

这个数当然是一个常数

这就是一个实数

所以这个性质也就告诉我们

F(A)这个函数

它是一个有上界的函数

单调增有上界的函数

结论就是limA趋于正无穷F(A)

也就等于limA趋于正无穷

从a到Af(x)dx这个积分一定是存在的

也就是说这么一个反常积分是收敛的

所以这个定理告诉我们

如果说大的函数的反常积分收敛的非负的

那么小的函数的反常积分也是收敛的

所以我们把这个定理

叫作比较判别法

那么它只能用于非负函数

所以我们对两个函数来判断它们的反常积分的收敛性

如果是非负函数的话

我们可以比大小

通过比大小我们可以知道

如果大的广义积分

反常积分如果收敛

小的一定收敛

反过来来讲

如果小的函数的反常积分已经发散了

那么大的函数的反常积分

更应该是发散的

那么这就给了我们一种工具

就是两个非负函数

我们可以通过比大小来判断

通过一个简单的

已知反常积分收敛性的这么一个函数

来比较一下

比较一个比较复杂的一个函数

来度量一下

看看它的大小

那么看这么一个复杂的一个函数的反常积分的收敛性

我们心里一定要有数

什么样的函数的反常积分的收敛性

我们已经知道的

那么这就让我们回想起我们原来讲过的

从1到正无穷dxx的p次方

这么一个反常积分

我们知道这个反常积分的收敛性我们是知道的

我们可以得到结论

当p大于1的时候

这个反常积分是收敛的

当p大于0小于等于1的时候

这个反常积分是发散的

那么我们来看一看

如果说现在给出来的是一个比较复杂的函数f(x)

很复杂的

复杂到呢

我很难去判断广义积分的收敛性

那么我们看一看

f(x)我们想与这么一个函数x的p次方来比较

比什么比较它的大小

原因很简单x的p次方分之一这个函数的

反常积分收敛性我已经知道了

也等于说我拿这个函数作为一个尺度

一个尺子去量一下f(x)这个复杂函数

到底是多大到底是多小

那么通过比较的话

我们通过这么一个比较定理

我们就可以从已知的收敛性的函数

来判断一个复杂的

不知道反常积分收敛性这个函数的

反常积分的收敛性问题

所以我们就有下面这个定理

好我们来看一下

我们比较复杂的那个函数

我们把它叫作f(x)

另外一个函数

我们已经收敛性已经知道它

反常积分收敛性的函数

我们把它叫作x的p次方分之一

我们想要比较这两个函数的大小

我们知道两个函数比大小

有两种方法一个是减一个是除

但减法在我们这里面没有用

因为f(x)如果趋于0

xp次方p大于0的时候

xp次方分之一也趋于0

那么这两个函数一减

极限还是0

所以等于0的话

实际上是没比出它两个函数到底谁大谁小

那怎么办我们还有一个办法

就是用除法

我们来看看f(x)除以x的p次方分之一

来讨论这个的极限形式

x趋于正无穷的时候

假如说它等于C

C是一个有极限

那么我们就可以根据C的不同的情况来看看

f(x)和x的p次方分之一这两个函数

到底谁大谁小的问题

第一种情况C是一个实数

是个非零的实数

直观上告诉我们

f(x)和实际上当x趋于正无穷的时候

f(x)和我们后面那个函数C除以x的p次方

实际上就是表示

因为它趋于1

表示差不多大小

表示差不多

既不会大很多

也不会小很多

基本上是差不多的大小

那么既然差不多的大小

比较定理告诉我们

两个函数如果f≤g

那么g收敛f一定收敛

所以这个比较定理告诉我们

如果说既然这两个是差不多大小

那么我们可以得到结论就是

f(x)从a到正无穷dx

与a到正无穷dxxp次方

有相同的收敛或者发散性质

差不多大小

就告诉我们这两个函数

既然差不多大小

那么一个收敛

另外一个一定收敛

反过来来讲

如果有一个发散

另外一个一定发散

我们把这种性质

叫作同敛散的性质

相同的收敛性

如果要收敛都收敛

要发散就都发散

这是比较定理告诉我们的

如果说这个极限是等于0

告诉我们这么一件事情

既然极限等于0

所以分子是远远小于分母

也就f(x)是远远小于C除以x的p次方

当x很大的时候

那么既然f(x)远远小于x的p次方分之一

这个是写1

那么我们知道

大的收敛小的一定收敛

这个时候如果说dxx的p次方

从1到正无穷

如果这个函数是收敛的

一定可以推出

原来的a到正无穷f(x)dx也收敛

假如说这个极限是等于正无穷

那么这个时候我们可以知道

f(x)这个函数

远远大于x的p次方分之一

当x比较大的时候

那么这个时候

如果从1到正无穷dxx的p次方

已经是发散了

一定可以推出

大的那个函数

a到正无穷f(x)dx一定发散

所以这是我们通过刚才的非负函数的比较定理

来判断收敛性的比较定理

我们可以得到的一些结论

我们把这些结论

归结成为一个定理

我们可以得到下面的形式

如果limx趋于正无穷f(x)x的p次方分之等于C

则一当C≠0的时候

我们可以得到P>1时

a到正无穷f(x)dx是一个收敛的

P≤1时从a到正无穷f(x)dx是发散的

第二当C=0的时候

并且P是大于1

从a到正无穷f(x)dx是收敛的

第三当C正无穷时

并且P大于0小于等于1时

a到正无穷f(x)dx

反常积分一定是发散的

原因很简单

我们刚才讲过

当C≠0的时候

我们要判断收敛性的那个反常积分

和x的p次方分之一这么一个反常积分

是同收敛同发散

当p>1的时候

因为分母有这个广义积分收敛

所以f(x)这个广义积分也收敛

当p小于等于1大于0的时候

因为x的p次方分之1这么一个反常积分是发散的

所以f这个反常积分

也是发散的

同样当C=0的时候我们知道

f(x)实际上远远小于

当x很大的时候

x的p次方分之一

那么这样的话

当p>1的时候

x的p次方分之一构成的反常积分是收敛的

所以f的反常积分呢也收敛

当p是大于0小于等于1的时候

我们知道xp次方分之一构成的反常积分是发散的

所以f的反常积分也是发散的

所以我们可以通过

两个函数比大小

我们通过一个简单的

例如说像xp次方分之一这么一个简单的函数

简单到什么程度

简单到这个函数的反常积分的收敛性

我们完全都是清楚的

通过这个函数去度量一下

一个复杂的f(x)这么一个函数

它的反常积分的收敛性

那么大家再回过头去再去看看这个度量的法则

实际上来看limx趋于正无穷的时候

f(x)除以x的p次方等于C

如果C是不等于0的

实际上这个p这个数叫作什么

在微分学的时候

我们把这个p

就叫作f(x)当x趋于正无穷时

这个函数趋于0的它的阶

我们讲过什么一阶无穷小

二阶无穷小三阶无穷小

实际上这个p这个数

实际上就是

当x趋于正无穷的时候

f(x)趋于0它到底是多快的速度

是多少阶的无穷小量

而一讲到阶那么这个问题

实际上是我们都是会的

我们可以有一系列的办法

来求无穷小的阶

比如说等价无穷小

这是一个办法

洛必达法则我们可以求一个无穷小量的阶

泰勒展开我们也可以求一个无穷小量的阶

所以呢这一系列微分的办法

就可以用到我们现在求阶的过程

而这个阶

直接又影响到

f(x)这么一个函数的

反常积分的收敛性

所以我们把这个收敛性问题

归结到f的阶的话

那这件事情

对我们来讲

就是已经说可以近似就完了

下面我们找几个例子来看一下

第一个例子这是我们原来讲过的那个例子

arctanx除以x的平方的dx

我们找一个函数

找一个尺度来量一量

这么一个arctanx除以x平方

当x趋于正无穷的时候

它趋于0的速度到底多块

那么我们只有找这么一个arctanx除以x平方

除以什么呢x平方分之一

lim当x趋于正无穷的时候

这两个一消掉

arctanx当x趋于正无穷的时候

它就是π/2

极限等于π/2

所以我们可以知道

我们原来这么一个反常积分的收敛性

实际上与1到正无穷dxx平方这么一个x平方

这么一个反常积分的收敛性

这两个是同收敛同发散的

因为这个C是π/2

当然不等于0的

而我们知道这是同收敛的

而我们知道这是收敛的

所以结论原来那个反常积分

它就是一个收敛的

所以我们可以不用经过计算

来判断反常积分的收敛性

我们再来讲一个例子

我们要讨论从1到正无穷

根号xlnxdx除以

分母是1+x平方的括弧的平方

我相信这个被积函数

实际上已经是足够地困难了

使得你如果要用原来我们的从计算的角度上来讲

来算这个不定积分

实际上是一个很麻烦很麻烦的事情

我不知道有没有初等函数作为原函数

但是呢我们来看看

我们现在新引进的工具

也就是说我给这么一个函数

找它的无穷小量的阶

我找一个尺度来量一量

它到底是多少的无穷小量

根号xlnx除以1加上x平方

括弧的平方

这是复杂的

我们不知道反常积收敛性的这么一个被积函数

跟谁呢 跟x平方分之一

我们跟这个x平方分之一来作比较

我们来看看limx趋于正无穷的时候

那么这样一个极限

就等于limx趋于正无穷的时候

上面是x的5/2次方lnx

底下是1加上x平方的括弧的平方

那么微分学的知识告诉我们

这个极限应该是等于0的

可以用各种各样的办法来算

洛必达法则也可以

那么既然是等于0的

也就说明分子这个函数

比分母要远远小过分母那个函数

那么分子这个函数

远远小过分母的函数

而我们分母那个函数

x平方分之一

它的反常积分

已经是收敛的

所以分子比分母小

我们知道 这个反常积分

一定是收敛的

我们最后再找一个例子来看一下

我们来讨论1到正无穷lnx的dxlnx分之一

从2开始把这个0给它去掉

我们来看看1/lnx

从2到正无穷这么一个反常积分

我们也知道x趋于正无穷的时候

lnx也是趋于正无穷的

所以1/lnx它本身也是趋于0的

那么我们来看看这个反常积分的收敛性

我们跟谁来作比较呢

我们找一个尺度

x趋于正无穷1/lnx跟1/x来作比较

我们可以发现

也就等于limx趋于正无穷

我把它翻上去之后x除以lnx

分子趋于无穷

分母趋于无穷

洛必达法则一次

我们可以知道

它就等于无穷

也就告诉我们

分子作为一个函数

当x趋于正无穷的时候

远远大于分母作为一个函数

而我们知道

1/x p是取1

所以分母这个函数的反常积分

已经是发散的

那么分子远远大于分母的话

分子作为一个函数

那么它的反常积分呢

一定是发散的

所以我们现在

对于非负函数的反常积分

我们有一个最最好用的一个定理

就是所谓的比较定理

也就告诉我们

两个函数如果有大小

那么大的反常积分收敛

小的反常积分一定收敛

既然有大小的比较

那么就使得我们可以做到这一点

就是说我们两个函数

f(x)是一个复杂的函数

另外一个简单的xp次方

是一个简单的已知反常积分收敛性的一个函数

通过这两个极限

实际上就是

比一比它们俩到底谁大谁小

也就相当于xp次方

就像一个尺度一样

一个尺子一样

去量一量上面那个复杂的函数f(x)

它的反常积分

到底是收敛的还是发散的

微积分——极限理论与一元函数课程列表:

序言

-序言

--序言

第一章 实数与函数

-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

--函数定义与函数图形

--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

--函数的四则运算与复合运算

--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

--函数的有界性,奇偶性

--函数的周期性,单调性

--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

--极坐标系与点的极坐标,极坐标方程表示的几种曲线

--参数方程表示的几种曲线

第二章 极限论

-第一节 数列极限的概念与性质

--数列的概念,数列极限的概念(1)

--数列极限的概念(2)

--数列极限的性质及四则运算法则

--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

--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

--Bolzano定理与Cauchy收敛准则

--区间套定理与Bolzano定理

--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

--函数极限的四则运算与复合函数的极限

--夹逼定理与重要极限

-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

--无穷小量与无穷大量的概念与性质

--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

第三章 连续函数

-第一节 连续函数的概念与性质

--函数在一点连续的概念

--间断点的分类

--连续函数的性质

--连续函数的运算与初等函数的连续性

-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

--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

--一致连续的必要条件

--闭区间上连续与一致连续的等价性

-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

第四章 导数与微分

-第一节 导数与微分的概念

--导数的概念

--单侧导数、可导与连续的关系

--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

--复合函数的求导法(链导法则)

--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

--几种特殊函数的求导法

--参数方程求导法与对数求导法

--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

第五章 导数应用

-第一节 微分中值定理

--Fermat定理

--Rolle定理

--Lagrange中值定理

--Cauchy中值定理

-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

--带有Peano型余项的Taylor 公式

--带有Lagrange型余项的Taylor公式

--Maclaurin公式

--Taylor公式的应用(一)

--Taylor公式的应用(二)

-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

第六章 原函数与不定积分

-第一节 概念与性质

--原函数的概念

--原函数存在的充分条件

--6-1视频纠正

--原函数存在的必要条件

--不同原函数之间的关系

--不定积分的概念与性质

--简单函数求不定积分

-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

--四个特殊函数的不定积分

--有理分式函数的化简

--html

--有理分式函数的不定积分

--三角有理函数化成分式有理函数

--三角有理函数的不定积分

--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

第七章 定积分

-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

--变限积分所定义的函数

--Newton-Leibniz公式

--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

--定积分的计算-换元法

--定积分的计算-分部积分法

--分段函数定积分的计算

--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

--旋转体体积与表面积

--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

--非负函数无穷积分的收敛性

--一般函数无穷积分的收敛性

--其他无穷积分

--无界函数的反常积分---瑕积分

--无界函数、无界区间上的反常积分

--第七章 定积分--第七节思考与练习

第八章 级数

-第一节 数项级数的概念与性质

--8-1 数项级数的概念

--8-2 级数收敛的概念

--8-3 级数收敛的性质

--8-4 级数收敛的Cauchy准则

--8-5 正项级数的概念

--8-6 正项级数的比较判别法

--8-7 正项级数的比阶判别法

--8-8 正项级数的比值判别法

--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

--正项级数的根式判敛法

--正项级数的积分判别法

--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

--交错项级数判敛举例

--绝对值判敛法

--绝对收敛与条件级数收敛的性质

--绝对收敛级数的交换律

--条件收敛级数的Riemann定理

--第八章 级数--第三节 思考与练习

-第四节 函数级数

--函数项级数的概念、逐点收敛性

--函数项级数的一致收敛性-概念

--函数项级数的一致收敛性-判断

--一致收敛的函数项级数和函数的分析性质(1)

--一致收敛的函数项级数和函数的分析性质(2)

--一致收敛的函数项级数和函数的分析性质(3)

--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

--无穷可导函数的幂级数展开

--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

--奇函数与偶函数的形式Fourier展开和周期开拓

--其他函数的周期函数的形式Fourier展开

--Fourier级数的收敛性

--第八章 级数--第六节思考与练习

非负函数无穷积分的收敛性笔记与讨论

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