7.1 无穷积分

1 定义

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


无穷积分

如果 f(x) 在 [a,+∞) 上有定义, f(x)∈R[a,A], ∀A≥a, 则令 F(A)=∫aAf(x)dx 为 [a,+∞) 上的函数. 若 limA→+∞F(A) 存在, 则称极限值为 f(x) 在 [a,+∞) 上的 无穷(广义)积分.
记 ∫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 为 p.v.∫−∞+∞f(x)dx=limA→+∞∫−AAf(x)dx.

p-积分

∫1+∞1xpdx 在 p≤1 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)|aA−∫aAf′(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,∃A0≥a, ∀A>A0: |∫A+∞f(x)dx|<ε.
  2. ∀ε>0, ∃A0>a,∀A′,A″>A0: |∫A′A″f(x)dx|<ε.

∫a+∞f(x)dx 发散等价于 ∃ε0>0,∀A>a,∃A′,A″>A: |∫A′A″f(x)dx|≥ε0.

命题

若 ∫a+∞|f(x)|dx 收敛, 则 ∫a+∞f(x)dx 收敛.

条件收敛 绝对收敛

  • 若 ∫a+∞f(x)dx 收敛, 且 ∫a+∞|f(x)|dx 发散, 则 ∫a+∞f(x)dx 绝对收敛.
  • 若 ∫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 在 [a,+∞) 上有界.

比较判别法

设 f(x),g(x) 满足 0≤f(x)≤g(x),x∈[a,+∞), 则

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

设 f(x)≥0,g(x)>0, limx→+∞f(x)g(x)=l (l≥0 或 l=+∞), 则

  1. 若 l∈R,l>0, 则 ∫a+∞f(x)dx,∫a+∞g(x)dx 同敛散.
  2. 若 l=+∞, 则 ∫a+∞g(x)dx 发散推出 ∫a+∞f(x)dx 发散.
  3. 若 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

设 f(x)≥0, 则

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

设 f(x)≥0, limx→+∞f(x)⋅xp=l, 则

  1. 若 0≤l<+∞, p>1, 则 ∫a+∞f(x)dx 收敛.
  2. 若 0<l≤+∞,p≤1, 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) 在 [a,+∞) 上单调有界,
  • ∫a+∞f(x)dx 收敛,

则 ∫a+∞f(x)g(x)dx 收敛.

Dirichlet 判别法

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

则 ∫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=φ−1(A), A→+∞ 时 β→Γ. ↩︎