问题

如何判断这个反常积分的判敛性?

回答
好的,咱们就来聊聊如何判断反常积分的判敛性,保证说得明明白白,没有那些机器味儿十足的套话。

反常积分嘛,顾名思义,就是跟咱们平时算的那些“正常”积分不太一样。通常情况下,我们算的积分是在一个有穷区间上,被积函数也是连续的,或者只有有限个不连续点。但反常积分打破了这些限制,它有两种主要情况:

1. 积分区间是无穷的:比如从a到正无穷大,或者从负无穷大到b,甚至从负无穷大到正无穷大。
2. 被积函数在积分区间上有奇点:也就是被积函数在某个点变得无界,比如分母为零。

这两种情况,咱们都需要一套方法来判断它有没有一个确定的值,也就是“收敛”,还是说它会变成无穷大或者在波动,也就是“发散”。

第一步:识别反常积分的类型

在开始判别之前,你得先看看你手里的积分是哪种类型。

第一类反常积分(积分区间是无穷):
a f(x) dx
b f(x) dx
f(x) dx

第二类反常积分(被积函数有奇点):
假设 f(x) 在点 c 处有奇点,且 a ≤ c ≤ b。
ab f(x) dx (其中 f(x) 在 c 处无界)

有时候,一个积分可能同时具备这两种特点,比如 ∫0 1/√x dx,它在x=0处有奇点,积分区间也是无穷的。这种情况下,咱们得分段处理。

第二步:将反常积分转化为正常积分(利用极限)

反常积分的本质,就是用一个极限来逼近我们“正常”积分的概念。

第一类反常积分(∫a f(x) dx):
咱们把它看作是 ∫aM f(x) dx,当 M 趋向于无穷大时的极限。
a f(x) dx = limM→∞aM f(x) dx

第一类反常积分(∫b f(x) dx):
同理,看作是 ∫Lb f(x) dx,当 L 趋向于负无穷大时的极限。
b f(x) dx = limL→∞Lb f(x) dx

第一类反常积分(∫ f(x) dx):
这个需要拆开了。找一个任意点 c(通常取0比较方便),比如:
f(x) dx = ∫c f(x) dx + ∫c f(x) dx
然后分别用上面的极限方法处理。 注意: 这个积分收敛的充要条件是两部分都收敛。如果其中一部分发散,那整个积分就发散。

第二类反常积分(∫ab f(x) dx,f(x) 在 c 处有奇点):
这里要分情况:
如果奇点 c 在区间的左端点 a: ∫ab f(x) dx = limα→a+αb f(x) dx (α从右边趋近a)
如果奇点 c 在区间的右端点 b: ∫ab f(x) dx = limβ→baβ f(x) dx (β从左边趋近b)
如果奇点 c 在区间的内部 (a, b): ∫ab f(x) dx = ∫ac f(x) dx + ∫cb f(x) dx
然后分别用上面两种情况的极限方法处理。同样,两部分都收敛,整个积分才收敛。

第三步:判别收敛性(核心技巧)

现在,我们把反常积分转化成了带有极限的“正常”积分。接下来就是关键一步:判断这些极限是否存在。

直接计算法 (不是万能的,但非常直观)

如果被积函数比较简单,可以直接计算出不定积分,然后代入极限值。

例子:
判断 ∫1 1/x² dx 的敛散性。
1. 它是第一类反常积分,区间是无穷。
2. 转化为极限:limM→∞1M 1/x² dx
3. 计算不定积分:∫ 1/x² dx = 1/x
4. 代入极限:limM→∞ [1/M (1/1)] = limM→∞ (1 1/M) = 1 0 = 1。
5. 因为极限存在且等于1,所以积分收敛。

例子:
判断 ∫01 1/√x dx 的敛散性。
1. 它是第二类反常积分,在 x=0 处有奇点。
2. 转化为极限:limα→0+α1 1/√x dx
3. 计算不定积分:∫ x1/2 dx = 2x1/2
4. 代入极限:limα→0+ [2(1)1/2 2(α)1/2] = 2 2 0 = 2。
5. 因为极限存在且等于2,所以积分收敛。

但是,很多时候被积函数很难直接算出不定积分。这时候就需要借助比较判别法了。

比较判别法 (最常用、最强大的工具)

这个方法的思想是:如果我们的反常积分 f(x) 在某个区间上,它“长得”像另一个我们知道敛散性的函数 g(x),那么它很可能也有类似的敛散性。

基本思路:

1. 找到一个合适的比较函数 g(x)。 这个 g(x) 的选择至关重要,要能捕捉到 f(x) 在无穷远处或者奇点附近的行为。
2. 利用不等式关系。
如果 ∫a g(x) dx 收敛,并且在积分区间内 0 ≤ f(x) ≤ g(x),那么 ∫a f(x) dx 收敛。 (“瘦死的骆驼比马大”,如果大的(g(x))都收敛了,小的(f(x))肯定也收敛。)
如果 ∫a g(x) dx 发散,并且在积分区间内 0 ≤ g(x) ≤ f(x),那么 ∫a f(x) dx 发散。(“瘦死的马不如饿死的牛”,如果小的(g(x))都发散了,大的(f(x))肯定也发散。)

针对不同情况选择比较函数:

对于第一类反常积分 ∫a f(x) dx:
我们主要关心 f(x) 在 x → ∞ 时的行为。通常我们选择 1/xp 型的函数作为比较。
1 1/xp dx:
当 p > 1 时,收敛。
当 p ≤ 1 时,发散。
选择策略: 观察 f(x) 在 x 很大时,主要由最高次幂项决定。比如 f(x) = (x²+1)/(x³+2),当 x → ∞ 时,它近似于 x²/x³ = 1/x。所以你可以用 ∫a 1/x dx 来比较。

对于第二类反常积分 ∫ab f(x) dx,f(x) 在 c 处有奇点:
我们主要关心 f(x) 在 x 趋近于奇点 c 时的行为。通常我们选择 1/|xc|p 型的函数作为比较。
ab 1/|xc|p dx (其中 c 在 [a, b] 上,且被积函数在 c 处无界):
如果奇点在左端点 a,即 ∫ab 1/(xa)p dx (x>a),当 0 < p < 1 时 收敛,p ≥ 1 时 发散。
如果奇点在右端点 b,即 ∫ab 1/(bx)p dx (x 如果奇点在内部 c,则两边都要满足 p < 1 的条件。
选择策略: 观察 f(x) 在 x 趋近于奇点 c 时,哪个幂次项占据主导。比如 f(x) = 1/(x² 1) 在 x=1 处有奇点。当 x → 1 时,x² 1 = (x1)(x+1) ≈ 2(x1)。所以 f(x) ≈ 1/(2(x1))。你可以用 ∫ab 1/(x1)p dx (p=1) 来比较。

极限比较判别法 (Limit Comparison Test)

当直接用不等式比较比较困难时,可以考虑极限比较判别法。这通常比直接比较判别法更容易操作。

前提条件: f(x) 和 g(x) 在积分区间上非负。

基本思路: 计算极限 limx→∞ [f(x) / g(x)] = L (或者当 x 趋近于奇点 c 时)。

1. 如果 L 是一个有限的正数 (0 < L < ∞):
那么 ∫a f(x) dx 和 ∫a g(x) dx 同敛散。

2. 如果 L = 0:
如果 ∫a g(x) dx 收敛,那么 ∫a f(x) dx 收敛。
如果 ∫a g(x) dx 发散,这个判别法不能得出 f(x) 的敛散性。

3. 如果 L = ∞:
如果 ∫a g(x) dx 发散,那么 ∫a f(x) dx 发散。
如果 ∫a g(x) dx 收敛,这个判别法不能得出 f(x) 的敛散性。

极限比较判别法在处理第二类反常积分时的应用类似,只是 x 趋近的对象变成了奇点 c。

例子(极限比较):
判断 ∫2 (x+1)/(x²x) dx 的敛散性。
1. 第一类反常积分。
2. 当 x → ∞ 时,被积函数 (x+1)/(x²x) ≈ x/x² = 1/x。
3. 我们知道 ∫2 1/x dx 是发散的(p=1)。
4. 我们来用极限比较判别法,令 f(x) = (x+1)/(x²x) 和 g(x) = 1/x。
5. 计算极限:limx→∞ [f(x) / g(x)] = limx→∞ [((x+1)/(x²x)) / (1/x)] = limx→∞ [x(x+1)/(x²x)] = limx→∞ [(x²+x)/(x²x)]
= limx→∞ [1 + 1/x / (1 1/x)] = 1/1 = 1。
6. 因为极限 L=1 是一个有限正数,并且我们选择的比较函数 ∫2 1/x dx 是发散的,所以原积分 ∫2 (x+1)/(x²x) dx 也发散。

特殊的判别法 (如莱布尼茨判别法)

对于交错级数形式的反常积分,比如 ∫a (1)n an dx,如果 an 单调递减趋于0,那么积分收敛(类似交错级数的判敛法)。但这不是处理所有反常积分的通用方法。

第四步:处理多重反常点

如果一个积分同时存在多个反常点,或者一个反常点加上无穷区间,你需要将积分分割成多个部分,使得每一部分都是我们上面讨论过的标准反常积分类型。

例子:
判断 ∫0 ex/x dx 的敛散性。
1. 它在 x=0 处有奇点,积分区间也是无穷。
2. 需要分割。我们选一个点,比如 1。
0 ex/x dx = ∫01 ex/x dx + ∫1 ex/x dx
3. 分析第一部分 ∫01 ex/x dx:
在 (0, 1] 上,ex 是正的,且在 x=0 附近,ex ≈ 1。
所以 ex/x 在 x=0 附近的行为类似于 1/x。
我们知道 ∫01 1/x dx 是发散的(p=1)。
用极限比较判别法:limx→0+ [(ex/x) / (1/x)] = limx→0+ ex = e0 = 1。
因为极限是 1 (有限正数),且 ∫01 1/x dx 发散,所以 ∫01 ex/x dx 发散。
4. 结论: 由于第一部分发散,那么整个积分 ∫0 ex/x dx 就发散了,无需再分析第二部分。

总结一下判别思路:

1. 识别类型: 判断是积分区间无穷,还是被积函数有奇点,或是两者都有。
2. 转化为极限: 将反常积分写成一个或多个极限形式的正常积分。
3. 选择方法:
如果被积函数简单,尝试直接计算积分并求极限。
如果不好直接计算,使用比较判别法(直接比较或极限比较),找到一个已知敛散性的函数作为参照。最常用的参照函数是 1/xp 和 1/|xc|p
4. 处理多重反常点: 分割积分,分别判断每一部分的敛散性。只要有一部分发散,整个积分就发散。

掌握了这些基本思路和技巧,你就能有条理地分析大多数反常积分的敛散性了。关键在于理解“收敛”意味着极限存在且有意义,而“发散”则意味着极限不存在或趋于无穷。多加练习,你会越来越熟练的!

网友意见

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由题可知,函数上下在x趋近无穷时:

n大于0,俩者都趋近于无穷,洛必达得到:极限为1/(1+x)nx的n-1次方,极限为0。函数应收敛。

n小于0,为无穷大比无穷小,为发散。

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