11.2 习题课讲解

11.2.1 广义积分的概念

例 11.2.1 设函数f在(0,1]上单调,在x=0的邻域内无界,证明:若∫01f(x)dx收敛,则(1)∫01f(x)dx=limn→+∞1n∑i=1nf(in) 讨论:

  • 对于一般的f,瑕积分∫abf(x)dx能否看成相应Riemann和∑i=1nf(ξi)Δxi的极限?
  • (等分、定标志点)Riemann积分的定义是否可以改为:(2)∫abf(x)dx=limn→+∞b−an∑i=1nf(a+b−ani)
  • (任意划分、定标志点)Riemann积分的定义是否可以改为:对任意划分P:a=x0<x1<⋯<xn=b,(3)∫abf(x)dx=lim∥P∥→0∑i=1nf(xi)(xi−xi−1)
  • (等分、任意标志点)Riemann积分的定义是否可以改为:(4)∫abf(x)dx=limn→+∞b−an∑i=1nf(ξi),∀ξi∈[a+b−an(i−1),a+b−ani]
  • 如果没有单调性假设,本题结论是否成立?
  • 对于无穷限积分∫0+∞f(x)dx,你能给出类似的计算方法并证明吗?

证明 不妨设f单调递增,则有(5)∫(i−1)/ni/nf(x)dx≤∫(i−1)/ni/nf(in)dx≤1nf(in)≤∫i/n(i+1)/nf(in)dx≤∫i/n(i+1)/nf(x)dx 所以(6)∫01f(x)dx≤1n∑i=1nf(in)≤∫01f(x)dx+f(1)−f(1n)n 为了处理1nf(1n),注意到(7)2∫1/2n1/nf(x)dx≤1nf(1n)≤∫1/n2/nf(x)dx 因为∫01f(x)dx收敛,由Cauchy收敛准则和夹挤定理知(8)0=2limn→+∞∫1/2n1/nf(x)dx=limn→+∞1nf(1n)=limn→+∞∫1/n2/nf(x)dx 最后由夹挤定理知(9)limn→+∞1n∑i=1nf(in)=∫01f(x)dx ◻

讨论

11.2.2 广义积分的计算

例 11.2.2 计算以下广义积分:

(1)

∫0+∞xe−xsin⁡xdx

(2)

∫1+∞dxx(1+x2)

(3)

∫1edxx1−ln2⁡x

解 (1) (13)∫0+∞xe−xsin⁡xdx=−12e−x[(1+x)cos⁡x+xsin⁡x]|0+∞=12

(2) (14)∫1+∞dxx(1+x2)=12ln⁡x21+x2|1+∞=12ln⁡2

(3) (15)∫1edxx1−ln2⁡x=arcsin⁡ln⁡x|1e=π2 ◻

例 11.2.3 计算以下广义积分:(16)∫0π/2sin⁡xln⁡sin⁡xdx

解 由分部积分可得(17)I=∫0π/2ln⁡sin⁡xd(1−cos⁡x)=(1−cos⁡x)ln⁡sin⁡x|0π/2−∫0π/21−cos⁡xsin⁡xcos⁡xdx=t=cos⁡x−∫01t(1−t)1−t2dt=[ln⁡(1+t)−t]01=ln⁡2−1 ◻

例 11.2.4 计算以下广义积分:(18)I=∫0π/2ln⁡cos⁡xdx

解 由比较判别法可得(19)limx→0+ln⁡sin⁡x1x=L′Hlimx→0+cos⁡xsin⁡x−12xx=0 而∫011xdx收敛,故∫01ln⁡sin⁡xdx收敛。注意到(20)I=∫0π/2ln⁡cos⁡xdx=x=π2−t∫0π/2ln⁡sin⁡tdt 从而∫01ln⁡cos⁡xdx收敛,因此(21)2I=∫0π/2ln⁡(sin⁡xcos⁡x)dx=∫0π/2(ln⁡sin⁡2x−ln⁡2)dx=−π2ln⁡2+12∫0πln⁡sin⁡xdx⏟2I 即I=−π2ln⁡2。 ◻

例 11.2.5 设a>0,计算以下广义积分:(22)I=∫0+∞dx(1+x2)(1+xa)

解 由比较判别法可得(23)∫0+∞dx(1+x2)(1+xa)≤∫0+∞dx1+x2=π2 故I收敛。记(24)I1=∫01dx(1+x2)(1+xa),I2=∫1+∞dx(1+x2)(1+xa) 注意到(25)I1=x=y−1∫+∞1−yady(1+y2)(1+ya)=∫1+∞yady(1+y2)(1+ya) 故(26)I=I1+I2=∫1+∞dx1+x2=π4 ◻

例 11.2.6 计算以下广义积分:(27)I=∫0+∞xln⁡x(1+x2)2dx

解 记(28)I1=∫01xln⁡x(1+x2)2dx,I2=∫1+∞xln⁡x(1+x2)2dx 对于I1,x=0为被积函数的可去间断点,故I1为定积分而非广义积分。对于I2,注意到(29)I2=∫1+∞xln⁡x(1+x2)2dx=x=t−1∫10tln⁡t(1+t2)2=−I1 故I2亦收敛,且I=I1+I2=0。 ◻

例 11.2.7 设a,b>0,函数f∈C[0,+∞)且极限f(+∞):=limx→+∞f(x)存在,证明Froullani广义积分:(30)I=∫0+∞f(bx)−f(ax)xdx=[f(+∞)−f(0)]ln⁡ba

证明 将原积分I拆成I1,I2两部分,记(31)I1=∫01f(bx)−f(ax)xdx,I2=∫1+∞f(bx)−f(ax)xdx 注意到(32)∫ε1f(bx)−f(ax)xdx=∫bεbf(u)udu−∫aεaf(u)udu=∫abf(u)udu−∫aεbεf(u)udu∫1λf(bx)−f(ax)xdx=∫bbλf(u)udu−∫aaλf(u)udu=∫aλbλf(u)udu−∫abf(u)udu 由积分中值定理可得(33)I=limε→0+λ→+∞∫ελf(bx)−f(ax)xdx=limλ→+∞∫aλbλf(u)udu−limε→0+∫aεbεf(u)udu=limλ→+∞f(ξλ)ln⁡ba−limε→0+f(ξε)ln⁡ba=[f(+∞)−f(0)]ln⁡ba ◻

注 利用这个结论可以得到(34)∫0+∞arctan⁡bx−arctan⁡axxdx=π2ln⁡ba,∫0+∞e−bx−e−axxdx=ln⁡ab

例 11.2.8 设f在R上广义可积,证明:(35)∫−∞+∞f(x−1x)dx=∫−∞+∞f(x)dx

证明 利用sinh⁡t=et−e−t2可设x=et=cosh⁡t+sinh⁡t,则(36)∫0+∞f(x−1x)dx=∫−∞+∞f(2sinh⁡t)(sinh⁡t+cosh⁡t)dt 设x=−e−t=sinh⁡t−cosh⁡t,则(37)∫−∞0f(x−1x)dx=∫−∞+∞f(2sinh⁡t)(cosh⁡t−sinh⁡t)dt 其中(38)∫−∞+∞f(2sinh⁡t)sinh⁡tdt=∫−∞+∞f(2sinh⁡t)cosh⁡t⏟=12∫Rf(x)dx⋅tanh⁡t⏟单调有界dt 由Abel判别法知以上广义积分均收敛,且有(39)∫−∞+∞f(x−1x)dx=∫−∞+∞f(2sinh⁡t)2cosh⁡tdt=∫−∞+∞f(x)dx ◻

例 11.2.9 设γ为曲线x3+y3=3xy,求:

(1)

γ在第一象限所围成的有界区域的面积;

(2)

γ与它的渐近线所围成的平面区域的面积。

解 曲线的参数方程可表为(40)x=3t1+t3,y=3t21+t3,t∈R∖{−1}

(1) x,y≥0当且仅当t≥0,因此(41)A1=−∫γydx=−∫0+∞9t2(1−2t3)(1+t3)3dt=32

(2) 曲线的渐近线为y=−x−1,因此(42)A2=∫−∞−1[y(t)+x(t)+1]x′(t)dt+∫−10[y(t)+x(t)+1]x′(t)dt=∫−∞03(1−2t3)(1−t+t2)3dt=6t2+32(t2−t+1)|−∞0=32 ◻

11.2.3 广义积分的收敛性

例 11.2.10 设f在[a,+∞)上内闭Riemann可积,∫a+∞f(x)dx收敛。

(1)

设f在[a,+∞)上非负且一致连续,证明:limx→+∞f(x)=0;

(2)

设f在[a,+∞)上一致连续,证明:limx→+∞f(x)=0;

(3)

设limx→+∞f(x)=A存在,证明:limx→+∞f(x)=0;

(4)

设f在[a,+∞)上单调,证明:limx→+∞f(x)=0;

(5)

设f在[a,+∞)上非负且连续,是否仍有limx→+∞f(x)=0?

解 (1) 采用反证法。设limx→+∞f(x)≠0,由于f非负,故∃ε>0使得∀Nn>a,∃xn>N使得f(x)≥2ε。由于f一致连续,故∃δ>0使得(43)|λ−μ|≤δ⟹|f(λ)−f(μ)|≤ε,∀λ,μ∈[a,+∞) 从而有(44)f(x)≥f(xn)−ε≥2ε−ε=ε,∀x∈[xn−δ,xn+δ] 为使这些[xn−δ,xn+δ]各不相交,选择δ∈(0,1)、N1=a+1、Nn+1=xn+2,此时(45)a<a+1−δ<x1−δ,xn+δ<xn+1<xn+1−1<xn+1−δ 又因为f非负,故有(46)∫a+∞f(x)dx≥∑n=1+∞∫xn−δxn+δf(x)dx≥∑n=1+∞2εδ=2nεδ→+∞,n→+∞ 与∫a+∞f(x)dx收敛矛盾,故limx→+∞f(x)=0。

(2) 因为f一致连续,故∀ε∈(0,1),∃δ∈(0,ε)使得(47)|f(x1)−f(x2)|<ε2,∀x1,x2≥a, |x1−x2|<δ 因为∫a+∞f(x)dx收敛,由Cauchy收敛准则知对上述δ,∃N>a使得(48)|∫x1x2f(x)dx|<δ22,∀x1,x2≥N 于是∀x>R,取x1,x2>R使得x1<x<x2且x2−x1=δ,此时有(49)|f(x)δ|=|∫x1x2f(x)dt|≤∫x1x2|f(x)−f(t)|dt+|∫x1x2f(t)dt|≤ε2δ+δ22<εδ 即∀ε>0,∃N>a使得x>N⟹|f(x)|<ε,故limx→+∞f(x)=0。

(3) 采用反证法。若A≠0,不妨设A>0,则取ε=A2,∃N>a使得(50)x>N⟹f(x)>A−ε=A2⟹∫N+∞f(x)dx≥∫N+∞A2dx=+∞ 与题设矛盾,故limx→+∞f(x)=0。

(4) f单调有界,故limx→+∞f(x)=A存在。由(3)知limx→+∞f(x)=0。

(5) 命题不成立。设n∈N∗,取(51)f(x)={2n(x−n)+1,x∈[n−2−n,n]2n(n−x)+1,x∈[n,n+2−n]0,otherwise 则f在[0,+∞)上非负、连续且limn→+∞f(x)不存在,而(52)∫0+∞f(x)dx=∑n=1+∞12×2×2−n×1=1 ◻

例 11.2.11 判断下列广义积分的敛散性:(53)I=∫1+∞sin⁡xxαdx

解 当α>1时,(54)|sin⁡xxα|≤1xα,∫1+∞dxxα 收敛 由比较判别法知I绝对收敛。

当α≤0时,(55)|∫2kπ+π/42kπ+3π/4sin⁡xxαdx|≥22×π2=2π4 由Cauchy收敛准则知I发散。

当0<α≤1时,由Dirichlet判别法知I收敛,而(56)∫1+∞|sin⁡xxα|dx≥∫1+∞sin2⁡xxαdx=∫1+∞dx2xα⏟发散−∫1+∞cos⁡2x2xα⏟收敛dx=+∞ 故I不绝对收敛,即I条件收敛。 ◻

例 11.2.12 判断下列广义积分的敛散性:

(1)

∫1+∞arctan⁡xx2dx

(2)

∫0+∞arctan⁡1xx2dx

(3)

∫2+∞sin⁡xxx2+1dx

(4)

∫1+∞cos⁡x2xdx

(5)

∫1+∞1+x−1−1xpln⁡(1+x−2)dx

(6)

∫011x−x3dx

(7)

∫−201x−sin⁡xdx

(8)

∫0π2ln⁡cos⁡xdx

(9)

∫0π21−cos⁡xxndx

(10)

∫01xesin⁡x−1dx

(11)

∫121ln⁡xdx

(12)

∫01ln⁡x1−xdx

解 (1)(2)(3) 当x→+∞时,f(x)=O(1x2),收敛。

(4) 令t=x2可得(57)∫1+∞cos⁡x2xdx=∫1+∞cos⁡t2tdt cos⁡t的变上限积分有界而12t单调趋于0,由Dirichlet判别法知原积分收敛。然而(58)∫1+∞|cos⁡t|2tdt≥∫1+∞cos2⁡t2tdt=∫1+∞14tdt⏟发散+∫1+∞cos⁡2t4tdt⏟收敛 故原积分条件收敛。

(5) 当x→+∞时,(59)1+x−1−1xpln⁡(1+x−2)=x−p(x2+o(x))∼1xp−1 收敛当且仅当p−1>1,即p>2。

(6) 当x→0+时,1x−x2∼1x;当x→1−时,1x−x2∼11−x;均收敛。

(7) 当x→0时,1x−sin⁡x∼1x3,发散。

(8) 由例11.2.4知其收敛。

(9) 当x→0时,1−cos⁡xxn∼1xn−2,收敛当且仅当n−2<1,即n<3。

(10) 当x→0+时,xesin⁡x−1∼11x,收敛。

(11) 令t=ln⁡x,则(60)∫121ln⁡xdx=∫0ln⁡2ettdt≥∫0ln⁡21tdt=+∞ 故发散。

(12) 令t=−ln⁡x,则(61)∫01ln⁡x1−xdx=∫0+∞tdt1−et t=0不是瑕点;当t→+∞时,t1−et=O(e−t/2),收敛。 ◻

例 11.2.13 判断下列广义积分的敛散性:

(1)

∫0+∞xcos⁡(x3)dx

(2)

∫1+∞x(arctan⁡2x−arctan⁡1x)dx

解 (1) 令t=x3可得(62)∫0+∞xcos⁡(x3)dx=∫0+∞cos⁡t3t3dt=∫01cos⁡t3t3dt⏟I1+∫1+∞cos⁡t3t3dt⏟I2

对于I1,有|cos⁡t|3t3≤13t3,故比较判别法知I1绝对收敛。

对于I2,cos⁡t的变上限积分有界而13t3单调趋于0,由Dirichlet判别法知原积分收敛。然而(63)∫1+∞|cos⁡t|3t3dt≥∫1+∞cos2⁡t3t3dt=∫1+∞16t3dt⏟发散+∫1+∞cos⁡2t6t3dt⏟收敛 故I2条件收敛,即原积分条件收敛。

(2) 当x→+∞时,(64)x(arctan⁡2x−arctan⁡1x)=x[2x−1x+o(1x)]=1+o(1) 故原积分发散。 ◻

例 11.2.14 判断下列广义积分的敛散性:(65)I=∫1+∞xsin⁡xsin⁡x4dx

解 作换元t=x4,代入可得(66)I=14∫1+∞sin⁡tsin⁡t4tdt 由于1t单调趋于0,我们尝试利用Dirichlet判别法,即证明sin⁡tsin⁡t4的变上限积分有界。通过不断地分部积分,让分母的次数大于1,即(67)∫1xsin⁡tsin⁡t4dt=−∫1xsin⁡t4dcos⁡t=−sin⁡t4cos⁡t|1x+∫1xcos⁡tcos⁡t44t3/4dt=C1(x)+∫1xcos⁡t44t3/4dsin⁡t=C1(x)+cos⁡t4sin⁡t4t3/4|1x−∫1xsin⁡tdcos⁡t44t3/4=C1(x)+C2(x)+316∫1xsin⁡tcos⁡t4t7/4dt−116∫1xsin⁡tsin⁡t4t3/2dt 因此(68)|∫1xsin⁡tsin⁡t4dt|≤|C1(x)|+|C2(x)|+316∫1x|sin⁡tcos⁡t4|t7/4dt+116∫1x|sin⁡tsin⁡t4|t3/2dt≤2+14⋅2+316∫1+∞dtt7/4+116∫1+∞dtt3/2≤3 由Dirichlet判别法知原积分收敛。为了判断其是否绝对收敛,即考虑以下积分的敛散性:(69)∫1+∞|xsin⁡xsin⁡x4|dx=t=x414∫1+∞|sin⁡tsin⁡t4|tdt 可以利用Cauchy收敛准则,即考虑(70)∫(kπ+π6)4(kπ+5π6)4|sin⁡tsin⁡t4|tdt≥∫(kπ+π6)4(kπ+5π6)4sin2⁡t2tdt=∫(kπ+π6)4(kπ+5π6)41−cos⁡2t4tdt 由于∫1+∞cos⁡2t4tdt收敛,故可取充分大的k使得(kπ)4>N,其中N满足(71)b>a>N⟹|∫abcos⁡2t4tdt|<1 因此(72)∫(kπ+π6)4(kπ+5π6)4|sin⁡tsin⁡t4|tdt≥t2|(kπ+π6)4(kπ+5π6)4−1=2π23k+π23−1→+∞ 故原积分不绝对收敛,即原积分条件收敛。 ◻

注 本题本质上与证明∫0+∞sin⁡xxdx条件收敛相同,都是先用Dirichlet判别法证明其收敛,再用Cauchy收敛准则证明其不绝对收敛。为了控制被积函数的sin⁡t和sin⁡t4,注意到sin⁡t4的零点间隔是4次方,大于sin⁡t的零点间隔,故我们先控制sin⁡t4,并在其零点间隔内控制sin⁡t。当然,上面的过程我们直接利用了放缩|sin⁡t|≥sin2⁡t,可使证明更加简单。