7.1 无穷积分

1 定义

在常义积分(即 Riemann 积分) 中, 要求 x[a,b]f(x) 有界. 而对于广义积分,


无穷积分

如果 f(x)[a,+) 上有定义, f(x)R[a,A], Aa, 则令 F(A)=aAf(x)dx[a,+) 上的函数. 若 limA+F(A) 存在, 则称极限值为 f(x)[a,+) 上的 无穷(广义)积分.
a+f(x)dx=limA+F(A). 同时称 a+f(x)dx 收敛.

同样地可以定义 bf(x)dx, 以及 +f(x)dx=cf(x)dx+c+f(x)dx. 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p.v.+f(x)dx=limA+AAf(x)dx.

p-积分

1+1xpdxp1 时发散, 在 p>1 时收敛.

无穷积分的性质

  1. a+f(x)dx 收敛等价于 c+f(x)dx 收敛, 且 a+f(x)dx=acf(x)dx+c+f(x)dx.
  2. 分部积分: a+g(x)f(x)dx=limA+aAf(x)g(x)dx=limA+(f(x)g(x)|aAaAf(x)g(x)dx).
  3. 换元公式: a+f(x)dx=limA+aAf(x)dx=limA+αβf(φ(t))φ(t)dt.
    当极限存在, 为 αTf(φ(t))φ(t)dt.[1]

2 判敛方法

本节以 a+f(x)dx 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

无穷积分的 Cauchy 判敛准则

a+f(x)dx 收敛等价于

  1. ε>0,A0a, A>A0: |A+f(x)dx|<ε.
  2. ε>0, A0>a,A,A>A0: |AAf(x)dx|<ε.

a+f(x)dx 发散等价于 ε0>0,A>a,A,A>A: |AAf(x)dx|ε0.

命题

a+|f(x)|dx 收敛, 则 a+f(x)dx 收敛.

条件收敛 绝对收敛

  • a+f(x)dx 收敛, 且 a+|f(x)|dx 发散, 则 a+f(x)dx 绝对收敛.
  • a+f(x)dx 收敛, 但 a+|f(x)|dx 发散, 则 a+f(x)dx 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

定理

a+f(x)dx 收敛等价于 F(A)=aAf(x)dx[a,+) 上有界.

比较判别法

f(x),g(x) 满足 0f(x)g(x),x[a,+), 则

  1. a+g(x)dx 收敛, 则 a+f(x)dx 收敛.
  2. a+f(x)dx 发散, 则 a+g(x)dx 发散.
比较判别法的极限形式

f(x)0,g(x)>0, limx+f(x)g(x)=l (l0l=+), 则

  1. lR,l>0, 则 a+f(x)dx,a+g(x)dx 同敛散.
  2. l=+, 则 a+g(x)dx 发散推出 a+f(x)dx 发散.
  3. l=0, 则 a+g(x)dx 收敛推出 a+f(x)dx 收敛.

特别地, 结合 p-积分, 结合比较判别法得

Cauchy 判敛法

f(x)0, 则

  1. 0f(x)cxp,p>1, 则 a+f(x)dx 收敛.
  2. f(x)cxp,p1, 则 a+f(x)dx 发散.
Cauchy 判敛法的极限形式

f(x)0, limx+f(x)xp=l, 则

  1. 0l<+, p>1, 则 a+f(x)dx 收敛.
  2. 0<l+,p1, 则 a+f(x)dx 发散.

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 a+f(x)g(x)dx 判敛的两个结果:

Abel 判别法

  • g(x)[a,+) 上单调有界,
  • a+f(x)dx 收敛,

a+f(x)g(x)dx 收敛.

Dirichlet 判别法

  • g(x)[a,+) 上单调, limx+g(x)=0,
  • F(A)=aAf(x)dx[a,+) 上有界,

a+f(x)g(x)dx 收敛.


  1. 同样地, 要求 x=φ(t) 单调, t[α,β], a=φ(α),A=φ(β), β=φ1(A), A+βΓ. ↩︎