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 > 无界函数的反常积分---瑕积分
好我们上一讲讲的是无界区间上的反常积分
那么反常积分有时候又被叫做广义积分
那么我们现在开始一类新的反常积分的计算
那就是无界函数的反常积分
我们这类积分我们把它称之又称之为瑕积分
f是一个函数它定义在a到b区间上
其中a是开区间b是闭的
并且当x趋于a从右侧
f(x)是无界函数
那么f我们还满足这么一个性质
a加δ到b
对于任意的一个δ大于0
但是a加呢要保证小于b
也就δ是不大的一个正数
f在a加δ到b这个区间上
它是一个可积函数
我们画一下图
这一点是a这一点记作b
f本身定义在a是开区间b是闭区间上
随便给一个不大的一个正的数δ
那么这一点就叫做a加上δ
在a加δ和b这个区间上
这是一个有界闭区间上
f(x)是一个可积函数
既然是一个可积函数
那么我们可以构造从a加δ到bf(x)dx
这个积分就是一个正常的一个积分
有界区间上的有界函数
如果说在这个极限的意义下
limδ趋于0正的极限的意义下
这个极限是存在的
则称从a到b上f(x)dx
这么一个反常积分是收敛的
并且记作这么一个
从a到b上f(x)dx
就等于limδ趋于0正
从a加上δ到bf(x)dx
我们把这个极限值
就记成从a到b的f(x)的反常积分
那么这时候我们把这个a点
有时候又把它叫做这个反常积分的瑕点
瑕点可以是a点
那同样的情况下瑕点也可能是b点
那么所有的过程都是差不多的
好我们来看一下关于反常积分
我们也分成两类问题
第一类是瑕积分的计算
这类问题实际上我们又是解决了的
因为我们知道这是一个正常的黎曼积分
我们把这个积分算出来之后求极限的话
就可以得到我们要的反常积分
第二类就是瑕积分的收敛性的判断
我们不算它的积分值
我们来直接来判断它的收敛还是发散的
我们先给一个例子
我们要算从a到bdxx减a的p次方
要算这么一个反常积分
其中呢p当然是大于0的一个数
我们可以知道在我们这道题里面
a点呢是瑕点
我们分不同的情况来讨论
第一种情况当p是等于1的时候
我们来讨论limδ趋于0正
从a加上δ到bdxx减a
p等于1
那么我们知道这个不定积分就是lnx减a
在a加δ到b上取值
在limδ趋于0正
我们把这么一个上限下限代进去之后
实际上就等于limδ趋于0正
ln括弧b减a减去lnδ
那么前面那个极限当然就是个常数
它的极限值就等于lnb减a
而我们知道当δ趋于0正的时候
lnδ是趋于负无穷的
所以呢这个值是等于无穷
也就告诉我们当p等于1的时候
原来我们说的那个瑕积分是不收敛
所谓不收敛的话我们就把它称之为是发散
第二种情况当p是不等于1
但是p还是大于0
这时候我们再来看一下
从a加上δ到bdxx减a的p次方
我们把这么一个定积分算出来之后
我们可以知道它就等于1减p分之一
x减a的1减p次方
我们把b代进去上限把a加δ代进去
那么也就等于1减p分之一
乘上b减a前面是个常数
1减p次方
再减去δ的1减p次方
我们来考虑limδ趋于0正
从a加上δ到bdx
x减a的括弧的p次方
这么一个极限的收敛性问题
那我们来看看第一项
b减a的1减p次方是一个常数
这些都是常数
那么极限是没有问题的
所以我们只要来讨论δ的1减p次方
那么这时候我们就会发现又要分成两种情况
第一种情况当p本身是大于0小于1的时候
p是大于0小于1的时候
1减p是一个大于0的一个数
既然是一个大于0的数
所以当δ趋于0正的时候
后面那个值就是0
这时候我们知道原来那个瑕积分是收敛的
而且收敛值我们也可以知道
我们把它算出来就是1减p分之一
乘上b减a的1减p次方
后面的极限是0
当p是大于1的时候
我们现在可以得到我们这个瑕积分是发散的
因为p是大于1所以当δ趋于0正的时候
δ的1减p次方是无穷
所以我们原来的瑕积分是发散的
这样一来对于我们这么一个原来要讨论的
这么一个瑕积分的问题
我们可以得到的结论是0小于p小于1的时候
那个瑕积分是收敛的
当p大于等于1的时候瑕积分是发散的
那么这个结论大家回去再跟我们以前讲的
比如说从1到正无穷dxxp次方
来讨论p使得这么一个无穷的反常积分的收敛性的问题
那么你再去回忆一下这时候对p的结论
什么时候是收敛的
p是在什么范围内是发散的
上下比较一下
好我们来看一下
一般的一个瑕积分作为反常积分收敛性它的判断
如果说f(x)是一个非负的函数
跟原来无穷的区间上的反常积分的收敛性一样
我们来就是一个比大小问题
大的函数的瑕积分收敛
小的一定收敛
小的发散大的一定是发散的
所以我们可以来比大小
我们现在已经知道的
从a到bx减a的p次方
这么一个瑕积分的收敛性
刚才我们已经算过了
结论是当p大于等于1的时候发散
当p大于0小于1的时候是收敛的
那么我们从这就可以知道
x减a的p次方分之一
这是一个已经知道瑕积分收敛不收敛的这么一个被积函数
我们说如果有一个比较复杂的函数
f(x)是非负
如果a是瑕点
那么我们把f(x)这个函数
可以跟x减a的p次方分之一这么一个函数
来做比大小
同样又碰到那个问题
两个函数比大小可以减可以除
在这我们仍然是用除法的办法
除以x减a的括弧的p次方
我们让limx趋于a
从右侧方向趋于a
那么我们可以发现这么几种情况
如果说它是等于C
C是不等于0的一个常数
那么这时候我们可以知道
实际上当x和a很近的时候
f(x)和C乘上x减a的p次方分之一
这两个函数实际上就是差不多大小
既然差不多大小那么从瑕积分的角度上来讲
这两个瑕积分是同收敛同发散
当0小于p小于1的时候
从a到bf(x)这个瑕积分是收敛的
当p大于等于1的时候
a到bf(x)dx 这个瑕积分是发散的
因为当p大于0小于1的时候
x减a的p次方分之一这么一个瑕积分是收敛的
而这两个函数差不多大小
所以f的瑕积分也收敛
当p大于等于1的时候我们知道
分母作为一个函数瑕积分已经是发散的
而这两个函数又差不多大小
所以f作为瑕积分它也是一个发散的
第二种情况当C等于0
C等于0的时候实际上我们就意味着
f(x)这个函数当x趋于a从右侧
远远小于分母
分子远远小于分母
所以如果分母收敛的话分子一定收敛
这个时候如果说0小于p小于1
那么我们a到bf(x)dx一定收敛
因为分子远远比分母小
而分母在p大于0小于1的时候已经是收敛的瑕积分
所以呢分子的瑕积分一定是收敛的
如果C等于正无穷
那么这个时候实际上就意味着
f(x)比分母要大很多很多
那言外之意如果说分母是发散的
分子的瑕积分一定发散
这个时候如果说p是大于等于1的话
那么分子的瑕积分f(x)dx一定发散
实际上对于我们这一类非负函数瑕积分收敛性的判断
实际上我们还是拿一个我们已经知道收敛性的这么一个
我们把这个函数呢有时候我们把它叫做尺度函数
像一把尺子那样在极限意义下去量一下
f(x)当x趋于a正的时候到底多大
比大小量一量它到底多大
从那个尺度上我们就可以看出
一个复杂的f(x)这么一个瑕积分的收敛性
我们给一个例子
我们来讨论从0到1
lnx除以x的p次方dx
这么一个瑕积分的收敛性
其中p当然还是值大于0的
很显然我们可以看出来
0是一个瑕点
0是瑕点
既然0是瑕点的话
那么我们要讨论的就是x趋于0正的时候
这么一个lnx除以xp次方它的大小
跟谁比就是与某一个尺度比
做比较
第一种情况如果说p是大于0小于1的
我们这个时候我们把lnx除以x的p次方
跟哪个尺度
跟x的p加1次方除以2
也就是跟x的二分之p加1次方分之一
拿这个函数作为一个尺度
来比一下我们比较复杂的函数的瑕积分的收敛性
我们可以知道
这就等于x的1减p次方除以2乘上lnx
当x趋于0正的时候它是趋于0的
原因很简单
因为1减p除以2是一个大于0的一个实数
所以我们知道
这时候x的二分之1减p次方趋于0的速度
远远大过lnx趋于无穷的速度
所以这两个乘积仍然是趋于0的
既然这样的话那么也就是告诉我们
当x趋于0正的过程中间
lnx除以x的p次方远远小于
x的二分之p加1次方
而我们这时候也知道p是在01之间的一个数
所以二分之p加1呢仍然是小于1大于0的一个常数
而从0到1dxx的p加1次方除以2
这么一个瑕积分是一个收敛的
好我们来看一下
分母作为被积函数它本身是一个收敛的
而分子lnx除以xp次方又远远小于分母
所以我们可以知道这时候我们原来要判断的
lnx除以x的p次方dx这么一个瑕积分
一定是一个收敛的瑕积分
第二件事情
当p大于等于1的时候
我们还是拿lnx除以x的p次方
再除以我们拿一个尺度去做比较
x的p加1除以二分之一
还是拿这个尺度来作比较
这时候我们可以发现它就等于
x的1减p除以2乘上lnx
那么我们现在看看我们的条件
这个p是大于等于1的
1减p除以2呢是小于等于0的
所以当x趋于0的时候它应该是趋于无穷的
当x趋于0正的时候
也就告诉我们被积函数lnx除以x的p次方
从绝对值的角度上来讲远远大于分母这个函数
而我们来看看分母
分母这个函数
分母这个函数0到1dx
x的p加1除以2本身就是一个发散的函数
因为p加1除以2是大于等于1的
它本身就是一个发散的函数
那么根据比较的方法我们可以得到
原来我们要判断的lnx除以x的p次方dx
它一定是一个发散的
它一定是一个发散的瑕积分
所以对非负函数的瑕积分的判断
我们仍然是根据我们拿的一系列
我们已经知道收敛性的函数作为尺度
来度量一下这个非负函数到底多大
如果太大的话
它有可能就是瑕积分要发散
如果不算太大的话瑕积分就可以收敛
那反过来来讲假如说f(x)是一个一般函数
又要分两种情况
绝对收敛问题
条件收敛问题
-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
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-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
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--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
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-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
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-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
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-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
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--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
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--一致连续的概念
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--导数的概念
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--微分概念
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--高阶导数
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--函数的单调性
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--定积分的性质
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--第七章 定积分--第七节思考与练习
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--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