Материал: Интегральное исчисление функций одной и нескольких переменных. Дементьева А.М., Артыщенко С.В

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

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

 

 

x1

 

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 +∞ex2 dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

Заметим, что

ex2 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 ex2

ex , то +∞ex2 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

 

 

 

 

 

 

xb0

 

 

 

 

 

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

сlimb0 f

 

a

 

называют несобственным интегралом II рода, то есть

b f (x)dx = climb0 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.

x0

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:

xa+0

b

b

 

f (x)dx = clima+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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1+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

 

 

 

 

 

 

 

c1+0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

1+0

 

 

 

 

 

 

c1+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

Источник: https://studfile.net/preview/16566052/