Пример 2.22. Исследовать несобственный интеграл +∞∫ |
dx |
|
. |
||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
1 |
|
x |
|
|
+∞ dx |
|
|
b − |
1 |
|
3 |
|
2 |
|
|
|
3 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
∫x |
3 |
dx |
|
|
x |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
По определению ∫3 |
|
|
= blim→+∞ |
|
|
|
= blim→+∞ |
|
|
|
|
||||||||
x |
|
|
= blim→+∞ |
2 |
|
|
1 |
|
2 |
|
|||||||||
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
b |
2 |
− |
1 |
= +∞. |
||||
|
2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Делаем вывод, что исследуемый интеграл расходится.
Несобственный интеграл (2.35) называют несобственным интегралом с
бесконечным верхним пределом. |
f (x) непрерывна при −∞< |
x ≤ b , то по |
|
Аналогично, если функция |
|||
определению |
|
|
|
∫b f (x)dx = alim→−∞ ∫b |
f (x)dx . |
(2.36) |
|
−∞ |
a |
|
|
Если этот предел существует и конечен, то несобственный интеграл с бесконечным нижним пределом, стоящий в левой части равенства (2.36), называется сходящимся и его значение определяется формулой (2.36). Если же этот предел не существует или равен бесконечности, то несобственный интеграл называется расходящимся.
Пример 2.23. Исследовать несобственный интеграл −∫1 dx .
−∞ x2
−1 dx |
|
−1 |
|
−2 |
|
|
x−1 |
|
−1 |
|
|
1 |
|
−1 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
По формуле (2.36) ∫ |
|
|
∫ |
x |
|
dx |
= |
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
= |
2 |
= alim→−∞ |
|
|
|
|
alim→−∞ |
−1 |
|
a |
|
= alim→−∞ |
x |
|
a |
|
|||||
−∞ x |
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
1 |
|
=1 + 0 =1. Делаем вывод, что интеграл сходится и равен 1: |
= lim 1 + |
a |
|
||
a→−∞ |
|
|
|
|
|
−∫1 dx2 =1. |
|
|
−∞ x |
|
Если |
функция f (x) непрерывна |
на всей числовой оси, то можно |
рассмотреть |
несобственный интеграл |
∞∫ f (x)dx . Для его определения |
|
|
−∞ |
привлекают уже рассмотренные ранее несобственные интегралы (2.35) и (2.36). Выбирают произвольное число c R и полагают по определению
∞∫ f (x)dx = ∫c |
f (x)dx + +∞∫ f (x)dx . |
(2.37) |
|
−∞ |
−∞ |
c |
|
Если независимо от выбора c оба несобственных интеграла, стоящие в |
|||
правой части равенства (2.37), сходящиеся, то |
∞∫ f (x)dx сходится и равен их |
||
|
|
|
−∞ |
сумме (по формуле (2.37)). Если же хотя бы один из несобственных
интегралов в правой части (2.37) расходится, то ∞∫ f (x)dx – расходящийся.
−∞
Геометрически для неотрицательной на [a;+∞) функции f (x)
76
несобственный интеграл |
+∞∫ f (x)dx |
представляет собой |
площадь |
||
|
a |
|
|
|
|
криволинейной фигуры, ограниченной графиком функции y = f (x), осью Ox |
|||||
и прямой x = a (рис. 2.31). |
|
Здесь фигура |
не |
ограничена |
|
|
|
||||
|
|
справа |
никакой |
вертикальной |
|
|
|
прямой. |
|
|
|
|
|
Приведем несколько примеров |
|||
|
|
вычисления |
несобственных |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
интегралов и дадим геометрическую |
|||||
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.31 |
|
+∞ dx |
|
|
|
интерпретацию некоторых из них. |
|||||||||
|
Пример 2.24. |
|
Найти |
|
|
или сделать вывод о его расходимости |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
∫0 1+ x2 |
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||
(здесь подынтегральная функция f (x)= |
). |
|
|
|
|||||||||||||||||
1+ x2 |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
|
|
||||
+∞ dx |
|
|
b |
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
π |
|
π |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫ |
2 = blim→+∞ |
|
∫ |
1+ x |
2 = blim→+∞ arctgx |
|
|
blim→+∞(arctgb − arctg0)= |
2 |
− 0 = |
2 |
||||||||||
0 1+ x |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|||||||
(рис. |
2.32, |
поясняет, |
почему |
|
lim arctgb = π ). Данный |
несобственный |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b→+∞ |
|
|
2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
интеграл сходится, а площадь S (рис. 2.33) конечна ( S = π |
кв. ед.). |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
Рис. 2.32 |
Рис. 2.33 |
Пример 2.25. Найти +∞∫dx или доказать его расходимость.
1 x
По определению
+∞1 |
b |
dx |
|
|
b |
= blim→+∞(lnb − ln1)= |
||
|
||||||||
∫ |
dx = blim→+∞ |
∫ |
|
|
|
|
|
|
= blim→+∞ ln x |
1 |
|
||||||
1 x |
|
1 |
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
= lim ln b = +∞. |
|
||||
|
|
|
|
b→+∞ |
|
|
|
|
|
Таким образом, данный интеграл расходится, |
|||||||
а изображенная на рис. |
2.34 площадь S1 – |
|||||||
бесконечна ( S1 |
= +∞). |
|
|
|
Рис. 2.34 |
|||
77
Пример 2.26 Найти |
+∞dx |
или доказать его расходимость. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫1 x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||||
Сделаем рис. 2.35, на котором изобразим графики функций |
y = |
|
и |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
x2 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y = 1 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мы видим, что функция |
y = |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x2 |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
убывает быстрее, |
чем |
|
|
y = |
1 . Из рис. |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
S , |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.35 видно, что площадь |
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ограниченная |
|
сверху |
кривой |
y = |
|
|
1 |
, |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x2 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
будет меньше, чем соответствующая |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
Рис. 2.35 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
площадь, |
ограниченная кривой y = |
1 . |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
x |
|||||||||||
Выясним, будет ли эта площадь конечной, то есть будет ли сходиться +∞∫ |
dx . |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
По формуле (2.35) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
x |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
+∞ 1 |
dx = lim |
b |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
∫ |
|
|
|
∫ |
|
2 |
|
= lim |
|
− |
|
|
|
|
= lim |
|
− |
|
− − |
|
|
|
= lim |
|
− |
|
+1 |
|
=1. |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
x |
|
b→+∞ |
|
x |
|
b→+∞ |
|
|
|
x |
|
|
1 |
b→+∞ |
|
b |
|
|
1 |
|
b→+∞ |
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
Таким образом, |
+∞∫ |
|
1 |
dx - сходится, а площадь S - конечна ( S = 1 кв.ед.). |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример |
2.27. |
|
Вычислить |
|
несобственный |
|
интеграл |
|
|
+∞∫cos xdx |
или |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
установить его расходимость. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
+∞∫cos xdx = lim sin x |
|
= lim(sin b −sin 0)= lim sin b. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
b→+∞ |
|
|
|
0 |
|
|
b→+∞ |
|
|
|
|
|
|
|
b→+∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Этот |
предел |
|
|
не |
|
существует |
(sin x |
|
при |
x → +∞ не |
|
стремится |
к |
|||||||||||||||||||||||||||||||
определенному значению, так как значенияsin x колеблются в промежутке от –1 до 1). Следовательно, несобственный интеграл расходится.
Иногда достаточно установить, сходится данный интеграл или расходится и оценить его значение. Для этого могут быть полезны следующие теоремы, которые мы приведем без доказательства, а применение проиллюстрируем примерами. Приводимые ниже теоремы называют
признаками сравнения. |
|
x [a,+∞) |
|
Теорема (Первый признак сравнения.) : |
Если для всех |
||
+∞ |
(x)dx сходится, то |
+∞ |
f (x)dx |
выполняются неравенства 0 ≤ f (x)≤ϕ(x) и ∫ϕ |
∫ |
||
a |
|
a |
|
78
также сходится, и
+∞ |
+∞ |
∫ |
f (x)dx ≤ ∫ϕ(x)dx . |
aa
Пример 2.28. Исследовать, сходится ли интеграл +∞∫e−x2 dx .
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
Заметим, что |
∫e−x2 dx |
относится к числу так называемых «неберущихся». |
|||||||||||||||||||
Воспользуемся |
|
|
первым |
|
|
b |
признаком |
|
|
|
сравнения. |
Найдем |
|||||||||
+∞ |
−x |
dx = lim |
b |
|
−x |
|
= lim(−e |
−x |
) |
= lim(−e |
−b |
+e |
−1 |
)= |
1 |
. Так |
как |
при x ≥1 |
|||
∫e |
|
∫e |
|
dx |
|
1 |
|
|
e |
||||||||||||
1 |
|
b→+∞ |
1 |
|
|
|
b→+∞ |
|
|
b→+∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
выполняется неравенство e−x2 |
≤ e−x , то +∞∫e−x2 dx тоже сходится и его значение |
||||||||||||||||||||
|
|
|
1 . |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
меньше, чем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Теорема |
(Второй |
признак |
сравнения). |
Если |
для |
всех |
x ( x ≥ a ) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+∞ |
|
|
|
|
выполняется неравенство |
0 ≤ϕ(x)≤ f (x), причем |
∫ϕ(x)dx |
- расходится, то |
||||||||||||||||||
a
расходится и интеграл +∞∫ f (x)dx .
a
Пример 2.29. Исследовать интеграл +∞∫ x +1dx .
1
x3
|
|
|
|
Заметим, |
|
|
что |
|
|
|
|
x +1 |
> |
|
|
|
x |
|
|
= |
1 |
|
> |
|
0, при |
x [1,+∞). Так |
как |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x3 |
|
|
|
|
|
x3 |
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
||
+∞ dx |
|
b − |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= blim→+∞ (2 |
b − 2)= +∞, |
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
∫ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
т.е. расходится, |
то из |
||||||||||||||||||||||
x |
|
= blim→+∞ |
∫x |
|
|
|
dx |
= |
blim→+∞ 2 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
1 |
|
x |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
неравенства |
|
|
+1 |
> |
|
|
|
|
по |
|
|
второму |
|
признаку сравнения следует, |
что |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x3 |
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
исследуемый интеграл тоже расходится.
Замечание. Очевидно для несобственных интегралов ∫b f (x)dx тоже можно
−∞
сформулировать аналогичные теоремы сравнения.
у
|
|
|
|
2.2.2. Несобственные интегралы II рода |
|
||
|
|
|
|
Пусть функция y = f (x) |
непрерывна |
в |
|
|
|
|
|
полузамкнутом интервале [a,b), |
а |
lim f (x) |
не |
|
|
|
|
|
|
x→b−0 |
|
|
|
|
|
x существует или равен бесконечности, |
рис. 2.36. |
|
|
|
|
а |
с b |
|
|||
|
|
|
Рис. 2.36 |
|
|
|
|
79
Для любой точки с (a,b) существует ∫c |
f (x)dx , зависящий от c . Устремим c |
a |
|
|
c |
(x)dx . Этот предел обозначают |
к b слева и будем искать |
сlim→b−0 ∫ f |
|
|
a |
|
называют несобственным интегралом II рода, то есть |
||
∫b f (x)dx = clim→b−0 ∫c f (x)dx . |
||
a |
|
a |
∫b f (x)dx и
a
(2.38)
Если предел, стоящий в правой части равенства (2.38), существует, то несобственный интеграл II рода называют сходящимся. Если же этот предел равен бесконечности или не существует, то несобственный интеграл
расходится. Например, рассмотрим |
∫0 dx |
. Здесь f (x)= |
1 , она непрерывна при |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
−2 |
x |
|
|
|
|
x |
||||
x [− 2,0), а lim |
1 |
= ∞. Значит, |
∫0 dx |
– |
это несобственный интеграл II рода. |
||||||||||||
x→0 |
x |
|
|
|
−2 x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
dx |
|
c |
dx |
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
По формуле (2.38) ∫ |
x |
= limc→−0 |
∫ |
x |
= limc→−0 ln |
x |
− 2 |
= limc→−0(ln |
|
c |
|
− ln 2)= −∞. Это |
|||||
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
−2 |
|
−2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
означает, что ∫0 dx расходится.
−2 x
По формуле, аналогичной (2.38), можно дать определение несобственного интеграла II рода на отрезке [a,b] от функции, непрерывной
на (a,b], у которой lim f (x) равен бесконечности или не существует:
x→a+0
b |
b |
|
∫ f (x)dx = clim→a+0 |
∫ f (x)dx . |
(2.39) |
a |
c |
|
При этом такой несобственный интеграл сходится, если предел в правой части существует и расходится в противном случае. Например,
рассмотрим ∫5 |
|
|
|
dx |
. |
Здесь |
|
f (x)= |
|
1 |
|
|
|
непрерывна |
при x (1,5] |
и |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
x −1 |
|
x −1 |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
lim |
|
|
|
|
= +∞. Поэтому ∫5 |
|
|
|
|
– это несобственный интеграл II рода. По |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
x→1+0 |
x −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
x −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
формуле (2.39): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
||||||||||
5 |
|
|
|
dx |
|
|
5 |
|
|
−1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= lim |
|
|
(x −1) |
2 dx = lim |
2(x −1)2 |
|
|
|
= lim(4 − 2 |
c −1)= 4 − 0 = 4 |
, |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
x −1 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
∫ |
|
|
|
c→1+0 |
|
|
∫ |
|
|
|
|
|
|
|
c |
→1+0 |
|
|
|
|
|
|
c→1+0 |
|
|
|
||||||
т.е. несобственный интеграл сходится и равен 4. |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
Если функция y = f (x) |
непрерывна во всех точках отрезка [a,b] кроме |
|||||||||||||||||||||||||||
точки |
x0 (a,b), |
|
являющейся точкой |
разрыва II рода (хотя бы один из |
||||||||||||||||||||||||||||
односторонних |
пределов |
функции |
f (x) в |
|
|
|
этой точке бесконечен или |
не |
||||||||||||||||||||||||
80