1 定义
在常义积分(即 Riemann 积分) 中, 要求 时 有界. 而对于广义积分,
- 如果 (或者 ), 则是 无穷积分.
- 如果 , 在 的邻域内无界, 或者反过来, 则是 瑕积分.
如果 在 上有定义, , , 则令 为 上的函数. 若 存在, 则称极限值为 在 上的 无穷(广义)积分.
记 . 同时称 收敛.
同样地可以定义 , 以及 . 容易看出左边收敛等价于右边两个极限均存在.
定义 Cauchy 主值 为
考虑 . 注意到 故发散. 但 故这个积分在 Cauchy 主值意义下收敛, 在一般形态下不收敛.
在 时发散, 在 时收敛.
构造变上限函数 则
- 收敛等价于 收敛, 且 .
- 分部积分:
- 换元公式:
当极限存在, 为 .
- .
得 而 , 因此可以递推得到结果.
- .
作代换 , 有
2 判敛方法
本节以 为例进行讨论.
2.1 无穷积分的 Cauchy 判敛准则
由无穷积分收敛的定义, 结合 函数的Cauchy收敛准则, 有
收敛等价于
- , : .
- , : .
发散等价于 : .
若 收敛, 则 收敛.
由已知, 结合 定理, , , : , 于是 于是 满足 Cauchy 收敛准则, 它收敛.
- 若 收敛, 且 发散, 则 绝对收敛.
- 若 收敛, 但 发散, 则 条件收敛.
2.2 非负函数判敛法
由于非负函数的 变上限函数 单调增, 因此结合 单调有界收敛定理, 有
收敛等价于 在 上有界.
设 满足 , 则
- 若 收敛, 则 收敛.
- 若 发散, 则 发散.
记 则 . 因此 有界时 有界, 无界时 无界. 再结合 定理, 得证.
设 , ( 或 ), 则
- 若 , 则 同敛散.
- 若 , 则 发散推出 发散.
- 若 , 则 收敛推出 收敛.
4. 由已知, 对 , : 结合 比较判别法得 同敛散.
5. 易得 : .
6. 易得 : .
时发散.
时, 取 , , 则 而 收敛, 因此 收敛.
时, 发散.
特别地, 结合 p-积分, 结合比较判别法得
设 , 则
- 若 , 则 收敛.
- 若 , 则 发散.
设 , , 则
- 若 , , 则 收敛.
- 若 , 则 发散.
考察 . 注意到 则 收敛, 从而原式绝对收敛.
注意到 从而 故原式绝对收敛.
2.3 一般函数判敛法
如果是绝对收敛的判断, 归结为非负函数判敛法.
如果是条件收敛的判断, 我们有 判敛的两个结果:
- 在 上单调有界,
- 收敛,
则 收敛.
- 在 上单调, ,
- 在 上有界,
则 收敛.
- Abel 判别法: , , : . 根据 在 上单调有界和 积分第二中值定理, :
- Dirichlet 判别法:
-
,
发散已经证明了.
时, , 结合 积分, 绝对收敛.
时,
- , 有界,
- 单减且 ,
从而由 Dirichlet 判别法, 收敛. 但是只是条件收敛. 因为 而 发散, 收敛, 从而绝对值积分发散.
-
,
刚刚已经证明 收敛. 而 在 上单增, , 从而根据 Abel 判别法, 收敛.
时, , 所以绝对收敛.
时, 所以条件收敛.
-
注意到
时, 绝对收敛.
时, 条件收敛.
时, 发散.