MA.5.4 反常积分

Question

定积分 abf(x)dx 中, 函数 f(x) 需满足何条件?

  1. 有限区间 [a,b] 上定义;
  2. f 为有界函数

反常积分

一、无穷区间上的积分

Intro

求火箭发射克服引力做功

Solution

dW=GMmx2dxW=GMmRR+H1x2dx=GMm(1R1R+H)GM=gR2
Question

考虑 #N-L公式 01dxx=2x|01=2

Solution

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实际上是无穷的,所以是瑕积分

无穷积分

f:[a,+)R, 且 A>a,fR[a,A], 称

a+f(x)dxf[a,+) 上的无穷积分.

无穷积分的敛散性判断
limA+aAf(x)dx=I

则称 a+f(x)dx 收敛, 且其值为

a+f(x)dx=:limA+aAf(x)dx=I

结论: 无穷积分的敛散性是通过 F(变上限积分) 的敛散性定义的

类似可定义 bf(x)dx=:limBBbf(x)dx 的收敛与发散.

Definition

f:RR, 若 a,

af(x)dxa+f(x)dx
同时独立收敛(A, A+之间无关),

则称 +f(x)dx 收敛, 且其值为

+f(x)dx=:af(x)dx+a+f(x)dx

实际上,a,c的积分是等价(同敛散性)的,只差一个 a ~ c 的积分:

a+=ac+c+ (同理可互换a,c)

更一般的,c+ca+a+=+ (定理1)

定理: 同敛散性
定理1: 同敛散性

c>a, a+f(x)dxc+f(x)dx 同敛散, 且收敛时有

a+f(x)dx=acf(x)dx+c+f(x)dx
定理: 广义 N-L 公式
定理2: 广义N-L公式

fC[a,+), 且 F(x)=f(x), 则

a+f(x)dx=F(x)|a+=limx+F(x)F(a)
例题
Example

例1 讨论 1+1xαdx 的敛散性

Solution

1+dxxα={x1α1α|1+,(α1)lnx|1+,(α=1)={1α1,α>1+,α1

结论: 当且仅当 α>1 的时候收敛

Example

例2 判断 +x1+x2 dx 的敛散性

Solution

由于 0+x1+x2dx=12ln(1+x2)|0+=+ 故原积分发散

Warning

负无穷到0的积分是负无穷,但是不代表负无穷和正无穷可以抵消。

实际上,如果需要两个抵消,需要左边的界与右边的界相同 (a=b) ,而这是不满足同时独立收敛的!

但是我们可以说它 柯西主值收敛 于0

判定原积分的敛散性是根据 定义 得到的

神奇小号

神奇小号: 曲线 y=1/x

(x1)x 轴旋转曲面.

../res/2023_12_14_a84c04c16cf4b9b9ddf3g-06.jpg

托里拆利(Torricelli)小号

小号特点

表面积
S=2π1+1x1+1x4 dx=+

1x已经趋近于正无穷,根号内始终大于一,所以为正无穷

所围体积

V=π1+1x2 dx=π

参见上例题的 α=2 的特殊情况

思考:

刷油漆

刷不完:表面积无穷;灌的满:体积有限

二、瑕积分

f:[a,b)R, 且 bf 的瑕点. 若 ε>0 使得 fR[a,bε], 称 abf(x)dxf[a,b) 上瑕积分.

瑕积分的敛散性

limε0+abεf(x)dx=I

则称 abf(x)dx 收敛, 其值定义为

abf(x)dx=:limε0+abεf(x)dx=I abf(x)dx=:acf(x)dx+cbf(x)dx

当且仅当右端 同时独立收敛 时(上限 c ,下限 c+), 称 左端收敛 .

定理: N-L 公式
定理3 (N-L公式)

fC[a,b), 且 F(x)=f(x), 则

abf(x)dx=F(x)|ab瑕点可能带不进去=F(b0)F(a)
例题
Example

例3 讨论 011xαdx 的敛散性

Solution

x=0 为瑕点

011xαdx={x1α1α|01,α1lnx|01,α=1={11α,α<1+,α1

故原积分当且仅当 α<1 时收敛

Example

判断 111xdx 敛散性

Solution

发散

x=0为瑕点

注意同时独立,若所得为0,其实是默认了 a=b

三、反常积分的换元和分部积分

换元法

定理4 (换元法)

fC[a,b),x=φ(t)C(1)[α,β), 且 φ(α)=a,limtβφ(t)=b, 则有

abf(x)dx=αβf(φ(t))φ(t)dt

分部积分

定理5 (分部积分)

u,vC(1)[a,b), 则有

abu(x)v(x)dx=u(x)v(x)|ababu(x)v(x)dx

例题

Example

例4 计算 0+1(1+x2)(1+xα)dx(α>0)

Tips

无穷积分、三角代换

Solution

=x=tant0π/2sec2tdt(1+tan2t)(1+tanαt)=0π/2cosαtcosαt+sinαtdt= 三角替换 0π/2sinαtsinαt+cosαtdt=12(0π/2cosαtcosαt+sinαtdt+0π/2sinαtsinαt+cosαtdt)=12(0π/21dt)=π4

0 不再是瑕点

Example

例5 计算 01lnx dx

Solution

01lnxdx=xlnx|0101x1xdx=(00)x|01=1

0 不再是瑕点

Example

例6 证明瑕积分

I=0π2lnsinx dx

收敛, 并求其值.

Proof

x=0 是瑕点

0π/2lnsinxdx=xlnsinx|0π/20π/2xcosxsinxdx 其中: limx0+lnsinx1x=()cosxsinx1x2=limx0+x2sinxcosx=0

由于 0π/2xcosxsinxdx 为定积分,故 0π/2lnsinxdx=0π/2xcosxxdx 从而收敛


Solution

上式容易判断敛散性,但并不容易计算值

I=0π/2lncosxdx=120π/2(lnsinx+lncosx)dx=120π/2ln(sinxcosx)dx=120π/2(ln12+lnsin2x)dx=ln24π+120π/2lnsin2xdx

由于

0π/2lnsin2xdx=2x=t120πlnsintdt=0π/2lnsintdt=I

由前式: I=lnx2x