Section03_广义积分
正常积分
- 积分区间有限
- 被积函数在积分期间内连续或除有限个第一类间断点外处处连续
区间无穷的反常积分
f(x)∈C[a,+∞), ∫a+∞f(x)⋅dx
- 定义 ∫abf(x)⋅dx=F(b)−F(a)
- F(b)−F(a) 与 ∫a+∞f(x)⋅dx 不同
- b→∞lim[F(b)−F(a)] 与 ∫a∞f(x)⋅dx 相同
- 若 b→∞lim[F(b)−F(a)]=A 则 ∫a∞f(x)⋅dx=A
- 若 b→∞lim[F(b)−F(a)] ∄ 则 ∫a∞f(x)⋅dx 发散
- 判别法
- 若 ∃ α>1;x→+∞limxαf(x) ∃,则收敛
- 若 ∃ α≤1;x→+∞limxαf(x) =k(=0)或∞,则发散
例题
- 例1 ∫1+∞1+x2dx
∴∴∫1b1+x2dx=arctanx∣1b=arctanb−4πb→+∞lim(arctanb−4π)=4π∫1+∞1+x2dx=4π
- 例2 判断 ∫0+∞1+x2x⋅dx 的敛散性
∵∴x→+∞limx231+x2x=1,α=23>1原式收敛
Γ 函数
Γ(α)=∫0+∞xα−1e−x⋅dx
- Γ(α+1)=αΓ(α)
- Γ(n+1)=n!n∈N
- Γ(21)=π
例题
- ∫0+∞x5e−x⋅dx
∫0+∞x5e−x⋅dx=Γ(6)=6!
- ∫0+∞xxe−x⋅dx
=∫0+∞xxe−x⋅dx=∫0+∞x23e−x⋅dxΓ(25)=23⋅21Γ(21)=43π
- ∫0+∞x2e−x2⋅dx
=∫0+∞x2e−x2⋅dxx=t∫0+∞21t21e−t⋅dt21Γ(23)=4π
f(x)∈C(−∞,a], ∫−∞af(x)⋅dx
- 定义 ∫baf(x)⋅dx=F(a)−F(b)
- F(a)−F(b) 与 ∫−∞af(x)⋅dx 不同
- b→−∞lim[F(a)−F(b)] 与 ∫−∞af(x)⋅dx 相同
- 若 b→−∞lim[F(a)−F(b)]=A 则 ∫−∞af(x)⋅dx=A
- 若 b→−∞lim[F(a)−F(b)] ∄ 则 ∫−∞af(x)⋅dx 发散
- 判别法
- 若 ∃ α>1;x→−∞limxαf(x) ∃,则收敛
- 若 ∃ α≤1;x→−∞limxαf(x) =k(=0)或∞,则发散
区间有限的反常积分
f(x)∈C(a,b]且f(a+0)=∞∫abf(x)⋅dx
- 定义 ∀ ϵ>0, ∫a+ϵbf(x)⋅dx
- F(b)−F(a+ϵ) 与 ∫a+ϵbf(x)⋅dx 不同
- ϵ→0lim[F(b)−F(a+ϵ)] 与 ∫a+ϵbf(x)⋅dx 相同
- 若 ϵ→0lim[F(b)−F(a+ϵ)]=A 则 ∫a+ϵbf(x)⋅dx=A
- 若 ϵ→0lim[F(b)−F(a+ϵ)] ∄ 则 ∫a+ϵbf(x)⋅dx 发散
- 判别法
- 若 ∃ α<1,x→a+lim(x−a)αf(x) ∃ 收敛
- 若 ∃ α≥1,x→a+lim(x−a)αf(x)=k(=0)或∞ 发散
例题
- ∫12xx−1dx
∵∴∀ ϵ>0∫1+ϵ2xx−1dx=∫1+ϵ2[1+(x−1)]x−1d(x−1)=∫ϵ1(1+x)xdx=2∫ϵ11+(x)2d(x)=2arctanx∣ϵ1=2(4π−arctanϵ)ϵ→0+limarctanϵ=0原式=2π
∫12(x−1)2dx
∵∴∀ ϵ>0∫1+ϵ2(x−1)2dx=∫ϵ1x2dx=−x1∣∣ϵ1=−1+ϵ1ϵ→0+limϵ1=+∞原式发散
讨论 ∫01x2+xdx 的敛散性
∵∴x→0+lim(x−0)21xx+11=1 且 α=21<1∫01x2+xdx收敛原式=∫01x(1+x)dx=2∫011+(x)2dx=2∫011+x2dxx=tant2∫04πcost⋅d(tant)=2∫04πsect⋅dt=(2ln∣sect+tant∣)∣04π=2ln(2+1)
f(x)∈C[a,b)且f(b−0)=∞∫abf(x)⋅dx
- 定义 ∀ ϵ>0, ∫ab−ϵf(x)⋅dx
- F(b−ϵ)−F(a) 与 ∫ab−ϵf(x)⋅dx 不同
- ϵ→0lim[F(b−ϵ)−F(a)] 与 ∫ab−ϵf(x)⋅dx 相同
- 若 ϵ→0lim[F(b−ϵ)−F(a)]=A 则 ∫ab−ϵf(x)⋅dx=A
- 若 ϵ→0lim[F(b−ϵ)−F(a)] ∄ 则 ∫ab−ϵf(x)⋅dx 发散
- 判别法
- 若 ∃ α<1,x→b−lim(b−x)αf(x) ∃ 收敛
- 若 ∃ α≥1,x→b−lim(b−x)αf(x)=k(=0)或∞ 发散
例题
- ∫01ln(1−x)⋅dx
∵∴∀ ϵ>0∫01−ϵln(1−x)⋅dx=xln(1−x)∣01−ϵ+∫01−ϵ1−xx⋅dx=xln(1−x)∣01−ϵ−∫01−ϵ1⋅dx+∫01−ϵ1−x1⋅dx=xln(1−x)∣01−ϵ−x∣01−ϵ−ln(1−x)∣01−ϵ=(x−1)ln(1−x)∣01−ϵ−x∣01−ϵϵ→0+lim(1−ϵ−1)ln(1−1+ϵ)=−ϵ→0+limϵ1lnϵ=ϵ→0+limϵ21ϵ1=ϵ→0+limϵ=0原式=0−1=−1
- ∫011−x2dx
∵∴∴x→1−lim(1−x)21(1−x)(1+x)1=21 且 α=21<1∫011−x2dx收敛∫011−x2dx=arcsinx∣01=2π