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 > 非负函数无穷积分的收敛性
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
-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