12.1 第八次作业参考答案

12.1.1 讲义习题

例 12.1.1 计算以下广义积分:

(1)

∫1+∞dxx21+x2

(2)

∫0+∞arctan⁡x(1+x2)3/2dx

(3)

∫−∞−2dxxx2−1

(4)

∫01ln2⁡xdx

(5)

∫−111−x1+xdx

(6)

∫01dx(2+x)1−x

解 (1) (1)∫1+∞dxx21+x2=y=x−1∫01ydy1+y2=1+y2|01=2−1

(2) (2)∫arctan⁡x(1+x2)3/2dx=x=tan⁡t∫tcos⁡tdt=tsin⁡t+cos⁡t=xarctan⁡x+11+x2 从而(3)∫0+∞arctan⁡x(1+x2)3/2dx=limx→+∞xarctan⁡x+11+x2−1=π2−1

(3) (4)∫−∞−2dxxx2−1=−∫2+∞dxxx2−1=x=sec⁡t−∫π/3π/2dt=−π6

(4) (5)∫ln2⁡xdx=xln2⁡x−2∫ln⁡xdx=xln2⁡x−2xln⁡x+2x⟹∫01ln2⁡xdx=2

(5) (6)∫1−x1+xdx=∫1−x1−x2dx=arcsin⁡x+1−x2⟹∫−111−x1+xdx=π

(6) (7)∫dx(2+x)1−x=t=1−x∫2dtt2−3=13ln⁡|t−3t+3|=13ln⁡|1−x−31−x+3| 从而(8)∫01dx(2+x)1−x=13ln⁡|1−x−31−x+3||01=13ln⁡3+13−1 ◻

例 12.1.2 计算以下广义积分:(9)I=∫0+∞dx1+x3

解 由于11+x3≤1x3,利用比较判别法可知积分收敛。直接应用有理函数积分法较为繁琐,对于(广义)定积分我们可以采用另一种方法。记(10)I1=∫01dx1+x3,I2=∫1+∞dx1+x3 注意到(11)I2=∫1+∞dx1+x3=t=x−1∫01tdt1+t3 故(12)I=I1+I2=∫011+x1+x3dx=∫01dx1−x+x2=∫01dx(x−12)+(32)2=23arctan⁡2x−13|01=2π33 ◻

例 12.1.3 判断下列广义积分的敛散性:(13)∫3+∞dxxp(ln⁡x)q(ln⁡ln⁡x)r

解 (1) 若p>1,对充分大的x,有(14)1(ln⁡x)q(ln⁡ln⁡x)r<1⟹1xp(ln⁡x)q(ln⁡ln⁡x)r<1xp 而广义积分∫3+∞dxxp收敛,故原广义积分收敛。

(2) 若p<1,对充分大的x,有(15)(ln⁡x)q(ln⁡ln⁡x)r<x(1−p)/2⟹1xp(ln⁡x)q(ln⁡ln⁡x)r>1x(1+p)/2 而广义积分∫3+∞dxx(1+p)/2发散,故原广义积分发散。

(3) 若p=1,此时积分可化为(16)∫3+∞dxx(ln⁡x)q(ln⁡ln⁡x)r=t=ln⁡x∫ln⁡3+∞dttq(ln⁡t)r 同理可得q>1时收敛,q<1时发散。q=1时,积分可化为(17)∫ln⁡3+∞dtt(ln⁡t)r=u=ln⁡t∫ln⁡ln⁡3+∞duur 故r>1时收敛,r≤1时发散。 ◻

例 12.1.4 判断下列广义积分的敛散性:

(1)

∫0+∞arctan⁡xxpdx

(2)

∫0+∞[ln⁡(1+1x)−11+x]dx

(3)

∫0+∞(−1)⌊x2⌋dx

解 (1) 记(18)I1=∫01arctan⁡xxpdx,I2=∫1+∞arctan⁡xxpdx,I=I1+I2

对于I1,当x→0时有arctan⁡xxp∼1xp−1,故I1收敛当且仅当p−1<1,即p<2。

对于I2,当x→+∞时有arctan⁡xxp∼π2xp,故I2收敛当且仅当p>1。

综上,I收敛当且仅当1<p<2。

(2) 记(19)I1=∫01[ln⁡(1+1x)−11+x]dx,I2=∫1+∞[ln⁡(1+1x)−11+x]dx,I=I1+I2

对于I1,当x→0时有[ln⁡(1+1x)−11+x]∼−ln⁡x,故I1收敛。

对于I2,当x→+∞时有[ln⁡(1+1x)−11+x]∼12x2,故I2收敛。

综上,I收敛。

(3) 原积分显然不绝对收敛。令t=x2可得(20)∫0+∞(−1)⌊x2⌋dx=∫0+∞(−1)⌊t⌋⋅12tdt (−1)⌊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,即原积分条件收敛。 ◻

例 12.1.5 判断下列广义积分的敛散性:

(1)

∫0+∞sin⁡x2dx

(2)

∫0+∞xsin⁡xx+1dx

(3)

∫0+∞xpsin⁡xqdx

解 (1) 令t=x2可得(21)∫0+∞sin⁡x2dx=∫0+∞sin⁡t⋅12tdt sin⁡t的变上限积分有界而12t的单调趋于0,由Dirichlet判别法知原积分收敛。然而(22)∫0+∞|sin⁡t|2tdt≥∫0+∞sin2⁡t2tdt=∫01sin2⁡t2tdt⏟收敛+∫1+∞dt2t⏟发散−∫1+∞cos⁡2t4tdt⏟收敛 故原积分不绝对收敛,即原积分条件收敛。

(2) 注意到cos⁡x的变上限积分有界而x2(1+x)在x>1时单调趋于0,由Dirichlet判别法知原积分收敛。然而(23)∫0+∞x|sin⁡x|2(1+x)dx≥∫0+∞xsin2⁡x2(1+x)dx=∫0+∞xdx4(1+x)⏟发散−∫0+∞xcos⁡2x4(1+x)dx⏟收敛 故原积分不绝对收敛,即原积分条件收敛。

(3) 若q=0,原积分必然在x=0或x=+∞之一处发散,故原积分发散。

若q≠0,令t=xq可得(24)I=1|q|∫0+∞sin⁡ttμdt,μ=1−p+1q

当t→0时,有sin⁡ttμ∼1tμ−1,故I收敛当且仅当μ−1<1,即μ<2,且此时为绝对收敛。

当t→+∞时,由例11.2.11可知∫1+∞sin⁡ttμdt在μ>1时绝对收敛,在0<μ≤1时条件收敛,在μ≤0时发散。

综上,原积分在q≠0且1<μ<2时绝对收敛,q≠0且0<μ≤1时条件收敛,其余情况发散。 ◻

例 12.1.6 设f在R上内闭Riemann可积,并且(25)limx→−∞f(x)=A,limx→+∞f(x)=B 其中A,B∈R。证明:∀a>0,积分∫−∞+∞[f(x+a)−f(x)]dx存在,并求它的值。

证明 本题只需证明以下极限存在:(26)limα→−∞β→+∞∫αβ[f(x+a)−f(x)]dx 由积分中值定理可得(27)∫αβ[f(x+a)−f(x)]dx=∫α+aβ+af(x)dx−∫αβf(x)dx=∫ββ+af(x)dx−∫αα+af(x)dx=f(ξβ)a−f(ξα)a 其中ξβ∈(β,β+a),ξα∈(α,α+a)。令α→−∞,β→+∞可得(28)limα→−∞β→+∞∫αβ[f(x+a)−f(x)]dx=limα→−∞β→+∞[f(ξβ)−f(ξα)]a=(B−A)a ◻

例 12.1.7 设∫a+∞fdx条件收敛,证明:广义积分∫a+∞(|f|±f)dx发散,且(29)limx→+∞∫ax(|f|+f)dt∫ax(|f|−f)dt=1

解 假设∫a+∞(|f|±f)dx收敛,由于|f|=(|f|±f)∓f,则∫a+∞|f|dx也收敛,与∫a+∞fdx条件收敛矛盾。故∫a+∞(|f|±f)dx发散。注意到(30)∫ax(|f|+f)dt∫ax(|f|−f)dt−1=2∫axfdt∫ax(|f|−f)dt 上式分子收敛,为有限数;分母发散且为非负数,故为+∞。取极限可得上式为0,即(31)limx→+∞∫ax(|f|+f)dt∫ax(|f|−f)dt=1 ◻

例 12.1.8 设f在[a,+∞)上可导,且广义积分∫a+∞f(x)dx与∫a+∞f′(x)dx均收敛。证明:limx→+∞f(x)=0。

证明 由Newton-Leibniz公式可得(32)limx→+∞f(x)=limx→+∞[f(a)+∫axf′(t)dt]=f(a)+∫a+∞f′(t)dt 故极限存在。由例11.2.10(3)知limx→+∞f(x)=0。 ◻

例 12.1.9 设a>0,f在[a,+∞)上平方可积,证明:∫a+∞f(x)xdx收敛。

证明 利用Cauchy-Schwarz不等式可得(33)∫a+∞|f(x)|xdx≤(∫a+∞1x2dx)1/2(∫a+∞f2(x)dx)1/2 后两个积分均收敛,故原积分绝对收敛。 ◻

例 12.1.10 设f在[a,+∞)上内闭Riemann可积,limx→+∞f(x)=0。

(1)

若∫a+∞f(x)dx绝对收敛,证明:∫a+∞f2(x)dx收敛。

(2)

若f在[a,+∞)上单调递减,f′∈C[0,+∞),证明:∫0+∞f′(x)sin2⁡xdx收敛。

证明 (1) 由limx→+∞f(x)=0可知∃N>a使得x>N⟹|f(x)|<1。故(34)∫a+∞f2(x)dx=∫aNf2(x)dx+∫N+∞f2(x)dx≤∫aNf2(x)dx+∫N+∞|f(x)|dx<+∞ 由比较判别法知∫a+∞f2(x)dx收敛。

(2) 由分部积分可得(35)∫0+∞f′(x)sin2⁡xdx=f(x)sin2⁡x|0+∞−∫0+∞f(x)sin⁡2xdx=−∫0+∞f(x)sin⁡2xdx sin⁡2x的变上限积分有界而f单调趋于0,由Dirichlet判别法知原积分收敛。 ◻

例 12.1.11 设γ为Euler常数,证明:(36)∫1+∞(1⌊x⌋−1x)dx=γ

证明 注意到当x≥2时有(37)⌊x⌋≤x<⌊x⌋+1⟹1⌊x⌋−1x≤1x−1−1x≤2x2 由比较判别法知原积分收敛,再由Heine定理知(38)limx→+∞∫1x(1⌊t⌋−1t)dt=limn→+∞∫1n(1⌊t⌋−1t)dt=limn→+∞(∑k=1n−11k−ln⁡n)=γ ◻

例 12.1.12 设∫a+∞f(x)dx收敛。

(1)

若f在[a,+∞)上单调,证明:limx→+∞xf(x)=0。

(2)

若f在[a,+∞)上单调、可微,证明:∫a+∞xf′(x)dx收敛。

证明 (1) 不妨设f单调减,则f(x)≥0。由于∫a+∞f(x)dx收敛,故∀ε>0,∃N>a使得(39)x>2N⟹|∫x/2xf(t)dt|=∫x/2xf(t)dt<ε 又f在[a+∞)上单调递减,故(40)0≤x2f(x)≤∫x/2xf(t)dt<ε⟹0≤xf(x)<2ε 故limx→+∞xf(x)=0。

(2) 注意到(41)∫axf(t)dt=xf(x)−af(a)−∫axtf′(t)dt 令x→+∞知∫a+∞xf′(x)dx收敛。 ◻