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反常积分-审敛法.doc
第11章 反常积分
§11. 1 反常积分的概念
一 基本内容
一、无穷限反常积分
定义1 设函数在上有定义,且在任意区间上可积,如果存在,则称此极限为在上的反常积分,亦称为在上的无穷限反常积分,简称无穷限积分,记作.
,
此时并称收敛.如果极限不存在,则称发散.
同理可定义,,
几何解释如图.
收敛
是指图中阴影区域的
面积存在.
二、瑕积分
定义2 设函数在上有定义,且在点的任一右邻域内无界,而在上有界可积,如果存在,则称此极限为无界函数在上的反常积分,记作,,并称收敛,否则称其发散.其中称为瑕点.无界函数的反常积分亦称为瑕积分.同理可得b为瑕点时,.
当的瑕点,则定义
.
若都是的瑕点,则定义
.
二 习题解答
1 讨论下列无穷积分是否收敛?若收敛,则求其值
(1) ;
解:由于,
.
所以该反常积分收敛,且收敛于.
(2) ;
解:由于
而
所以该反常积分收敛,且收敛于.
(3) ;
解:由于,
.
所以该反常积分收敛,且收敛于.
(4) ;
解:由于
.
.
所以该反常积分收敛,且收敛于.
(5) ;
解:由于
,
所以该反常积分收敛,且收敛于.
(6) ;
解:由于,
.
所以该反常积分收敛,且收敛于.
(7) ;
解:由于,
.
所以该反常积分发散.
(8) .
解:由于,
.
所以该反常积分发散.
2 讨论下列瑕积分是否收敛?若收敛,则求其值
(1) ;
解:由于为瑕点,而
,
,
所以时,该瑕积分收敛,且值为;
所以时,该瑕积分发散.
(2) ;
解:由于为瑕点,而
,
.
所以该瑕积分发散.
(3) ;
解:由于为瑕点,而
,
.
同理,
所以该瑕积分收敛,且值为.
(4) ;
解:由于为瑕点,而,
所以该瑕积分收敛,且值为.
(5) ;
解:由于为瑕点,而
,
.
所以该瑕积分收敛,且值为.
(6) ;
解:令,则
,
所以该瑕积分收敛,且值为.
(7) ;
解:令,则
.
所以该瑕积分收敛,且值为.
(8) .
解:由于,为瑕点,
又,
而时,,
时,
时,
所以,瑕积分发散.
3 举例说明:瑕积分收敛时,不一定收敛.
解:例如收敛于,但发散.
4 举例说明:积分收敛,且在上连续时,不一定有.
解:例如.因令得
.
所以收敛,且在上连续,
但不存在.
5 证明:若收敛,且存在,则.
证:假设,不妨设,因,所以
,.
于是,从而
.
此与收敛矛盾,故.
6 证明:若在上可导,且与都收敛,则.
证:因为,
所以由都收敛知存在,
故由上一题知.
§11. 2 无穷限积分的性质与收敛判别
一 基本内容
一、无穷限积分的性质
由无穷限积分的定义知
收敛存在;
由极限的柯西收敛准则知
存在
.
定理1 收敛
.
性质1 若都收敛,则,
也收敛,且
.
性质2 若在上可积,则,与同收同发,且
.
性质3 若在上可积,则
收敛收敛,
且 .
定义1 如果收敛,则称绝对收敛.
二、比较判别法
比较判别法仅应用于绝对收敛的判别.
由于单调上升,所以,
收敛有上界.
定理2 若在上可积,且
,
则 收敛收敛;
而 发散发散.
推论 (比较判别法的极限形式)若在上可积,,且
,
则与同收同发;
时,收敛收敛;
时,发散发散.
当选用为比较“尺子”时,则得下面的柯西判别法.
定理3 (柯西判别法) 若在上可积,则
,且时,收敛;
,且时,发散.
定理(柯西判别法的极限形式) 若在上可积,且,则
,且时,收敛;
,且时,发散.
三、狄立克雷判别法与阿贝尔判别法
此法是对一般无穷限积分的敛散性判别.
定理4 (狄立克雷判别法) 若有界,在上单调,且,则
收敛.
定理5 (阿贝尔判别法) 若收敛,在上单调有界,则收敛.
二 习题解答
1 设与是定义在上的函数,,与在上可积,证明:若与都收敛,则与亦收敛.
证:(1) 因为,,从而
,
即.
故由判别式为负得
.
即 .
而 ,收敛,
所以 收敛.
又
,
所以 收敛.
证:(2) 因为与都收敛,
所以 收敛.
而 ,
故绝对收敛,亦收敛.
又
.
所以由四则运算知收敛.
2 设、、是定义在上的三个连续函数,且,证明
(1) 若,都收敛,则也收敛;
证:因为,所以,
.
而 ,都收敛,
所以 ,都存在,
从而 存在,
故收敛.
(2) 若,则.
证:因为
所以 ,,
于是由夹逼性定理得,
故 .
3 讨论下列无穷限积分的收敛性:
(1) ;
解:
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