刷题-反常积分

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判断积分 ∫0π2cos2⁡x−e−x2xα⋅tan⁡xdx 的敛散性。


显然 0 是该反常积分的暇点,π2 虽然是无定义点,但由于极限存在,故不是暇点,故而我们考虑在 0 处进行等价无穷小替换,先替换好替换的分母:

xα⋅tan⁡x∼xα+1

再利用泰勒展开替换分子:

cos2⁡x=1+cos⁡(2x)2=1−x2+13x4+…e−x2=1−x2+12x4+…⟹cos2⁡x−e−x2∼−16x4⟹cos2⁡x−e−x2xα⋅tan⁡x∼−161xα−3

从而只需要 a−3<1 即可。

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判断积分 ∫1∞[2x2+bx+ax(2x+a)−1]dx=1,求 a,b.


很明显,我们需要合并两个式子:

I=∫1+∞(b−a)x+ax(2x+a)dx

可以注意到,该反常积分一个可能的暇点可能为 c=−a2,如果 x0 位于积分区间中,那么就需要进行分成两个反常积分来分别判断:

I=∫1cdx+∫c+∞dx

我们先计算第二个反常积分:

(x→+∞),(b−a)x+ax(2x+a)∼b−a21x

然后,只有当 (b−a)=0 时,才有可能收敛,至此我们得到了第一对关系。故而原式为:

这种解法是错误的

I=∫1+∞ax(2x+a)dx=∫1+∞(1x−1x+a2)dx=[ln⁡x−ln∣x+a2∣]∣1+∞
故而有:
∣1+a2∣=e
这种解法是明显错误的,因为这种定积分的求法要求被积函数只有有限个第一类间断点,如果 1<c, 是不满足定义的。

这种解法才是正确的

可以证明如果 c>1,那么是与题目自相矛盾的。利用反证法证明:假如 c>1,那么有:
I=∫1cax(2x+a)dx+∫c+∞…dx
我们看第一个积分,可以看到当 x→c,通过比较审敛法得知,这是一个发散的反常积分。

要想该反常积分收敛,必须有 c≤1,即 a≥2,故而真正的答案为:
a≠−2(e−1)a=b=2(e−1)

第一类间断点,定积分存在定理。

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判断积分 ∫0π21sinp⁡x⋅cosq⁡xdx(p,q>0) 的敛散性。


这个反常积分有两个暇点 0,和 π2,故而我们需要分积分区间为:

I=∫01dx+∫1π2dx

先看左侧反常积分,很明显该被积函数等价于:

1sinp⁡xcosq⁡x∼1xp

只要 0<p<1,即可收敛。现在看右侧反常积分,我们要尝试将该积分形式等价成:

1(π2−x)p

我们可以通过三角函数的和角公式做到:

cos⁡x=cos⁡(x−π2+π2)=−sin⁡(x−π2)

故而,右侧被积函数等价于:

1sinp⁡xcosq⁡x∼1cosq⁡x=(−1)qsinq⁡(x−π2)∼(−1)q(x−π2)q=1(π2−x)q

从而,只有当 0<p<1 使才有可能收敛。

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判断积分 ∫0+∞(x+1x)αln⁡(1+x−3α)dx(α>0) 的敛散性。


被积函数有对数函数存在,尝试将该被积函数等价为形式:

1xplnq⁡x

考虑到 0 是一个可能的暇点,故而我们将积分区间分为两部分:

I=∫01dx+∫1∞dx

先对左侧被积函数进行等价无穷小替换:

(x+1x)αln⁡(1+1x3α)∼ln⁡(1+1x3α)xα∼−3αln⁡xxα=−3αxαln−1⁡x

当 α=1 时,该反常必然发散,故而 α<1。再来看右侧反常积分,即 x→+∞:

(x+1x)αln⁡(1+1x3α)∼(x)α(x−3)α=1x2α

当 α=12,显然只有当 α>12 时,才有可能收敛。根据左侧积分的收敛区间取交集可得该反常积分的收敛区间为:

12<α<1

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设 m,n 均为正整数判断积分 ∫01ln2⁡(1−x)mxndx 的敛散性与 n,m 的关系。


0 和 1 都有可能是暇点,故而我们需要插入一个点,分积分区间:

I=∫012dx+∫121dx

先看第一个,我们利用等价无穷小进行替换,从而得以使用极限形式的比较审敛法。

ln2⁡(1−x)mxn∼x2mx1n=1x1n−2m

只要 1n−2m<1,就必然收敛,注意到 n,m 都为正整数,所以该不等式恒成立,也就是 ∫012dx 必然收敛,这部分的敛散性与 n,m 无关。接下来看 ∫121dx 的敛散性,我们要尝试在 x→1− 处进程等价无穷下替换:

ln2⁡(1−x)mxn∼1ln−2m⁡(1−x)=1(1−x)0ln−2m⁡(1−x)

我们将 1−x 视为一个整体,做一下换元:1−x=t,那么有:

ln2⁡(1−x)mxn=1t0ln−2m⁡(t)

原反常积分就变为:

∫0121t0ln−2m⁡tdx

由于 t 的次数不等于 1,故而我们可以直接忽略 ln 的影响,可以直接得出该积分也收敛。故而右侧的反常积分也与 n,m 无关。

故而,该反常积分的敛散性与 n,m 皆无关。

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证明: ∫0+∞cos⁡x1+xdx 收敛,且 |∫0+∞cos⁡x1+x|dx 收敛。


联想到 ∫0+∞1(x+1)2dx 收敛,故而尝试用反常积分的绝对收敛的性质解题。

∫0∞cos⁡x1+xdx=∫0∞1x+1dsin⁡x=∫0∞sin⁡x(1+x)2dx

从而,可得:

|∫0+∞cos⁡x1+xdx|=∫0+∞|sin⁡x(1+x)2|dx≤∫0∞1(1+x)2dx

从而收敛,由绝对收敛可得 ∫0∞cos⁡x1+xdx 也收敛。

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证明:∫0+∞sin3⁡xxdx 收敛。


由于 limx→∞sin3⁡xx=0,故而 0 不是暇点,可以将积分做如下变形从而不影响敛散性:

∫0+∞dx=∫1+∞dx

我们的目标是将分母变为 x2 从而通过比较审敛法的放缩得到反常积分的基本形式:∫1+∞1x2dx,我们可以凑 sin3⁡x 来实现:

∫sin3⁡xdx=−∫(1−cos2⁡x)d(cos⁡x)=13cos3⁡x−cos⁡x+C⟹I=∫1+∞1xd[13cos3⁡x−cos⁡x]=A+∫1+∞1x2(13cos3⁡x−cos⁡x)dx

我们可以利用反常积分的绝对收敛,来得到原函数的收敛性:

J=∫1+∞|1x2(13cos3⁡x−cos⁡x)|dx≤∫1+∞43x2dx

显然,∫1+∞43x2dx 是收敛的,由比较审敛法可知,原反常积分也是收敛的。