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反常积分

一、第一类反常积分定义#

设函数f(x)f(x)在区间[a,+)[a,+\infty)上连续,于是对于任意t>at>a,积分atf(x)dx\int_a^tf(x)\mathrm{d}x存在,它是tt的函数,称记号

a+f(x)dx=deflimt+atf(x)dx\int_a^{+\infty}f(x)\mathrm{d}x\xlongequal{\text{def}}\lim_{t\to+\infty}\int_a^tf(x)\mathrm{d}x

为函数f(x)f(x)在无穷区间[a,+)[a,+\infty)上的反常积分(或第一类反常积分) 同样地,设函数f(x)f(x)在区间(,b](-\infty,b]上连续,于是对于任意t<bt<b,积分tbf(x)dx\int_t^bf(x)\mathrm{d}x存在,它是tt的函数,称记号

bf(x)dx=deflimttbf(x)dx\int_{-\infty}^{b}f(x)\mathrm{d}x\xlongequal{\text{def}}\lim_{t\to-\infty}\int_t^bf(x)\mathrm{d}x

为函数f(x)f(x)在无穷区间(,b](-\infty,b]上的反常积分(或第一类反常积分) 若上面两式右边极限存在,则称反常积分收敛,否则称反常积分发散。 设f(x)f(x)(,+)(-\infty,+\infty)上连续,记号

+f(x)dx=defaf(x)dx+a+f(x)dx\int_{-\infty}^{+\infty}f(x)\mathrm{d}x\xlongequal{\text{def}}\int_{-\infty}^af(x)\mathrm{d}x+\int_a^{+\infty}f(x)\mathrm{d}x

只有等式右边两个积分都收敛,才称反常积分收敛。也可知该反常积分的收敛与否和收敛时的值,与aa的选取无关。

二、第二类反常积分#

设函数f(x)f(x)在区间(a,b](a,b]上连续,limxa+f(x)=\lim_{x\to a^+}f(x)=\infty(称点aa为瑕点)。于是,任给ε>0\varepsilon>0ε<ba\varepsilon<b-aa+εbf(x)dx\int_{a+\varepsilon}^bf(x)\mathrm{d}x均存在,它是ε\varepsilon的函数,称记号

abf(x)dx=deflimε0+a+εbf(x)dx\int_a^bf(x)\mathrm{d}x\xlongequal{\text{def}}\lim_{\varepsilon\to0^+}\int^b_{a+\varepsilon}f(x)\mathrm{d}x

为无界函数f(x)f(x)[a,b][a,b]上的反常积分(第二类反常积分) 同样地,设函数f(x)f(x)在区间[a,b)[a,b)上连续,limxbf(x)=\lim_{x\to b^-}f(x)=\infty(称点bb为瑕点)。于是,任给ε>0\varepsilon>0ε<ba\varepsilon<b-aabεf(x)dx\int^{b-\varepsilon}_af(x)\mathrm{d}x均存在,它是ε\varepsilon的函数,称记号

abf(x)dx=deflimε0+abεf(x)dx\int_a^bf(x)\mathrm{d}x\xlongequal{\text{def}}\lim_{\varepsilon\to0^+}\int_a^{b-\varepsilon}f(x)\mathrm{d}x

为无界函数f(x)f(x)[a,b][a,b]上的反常积分(第二类反常积分) 设f(x)f(x)[a,c)(c,b][a,c)\cup(c,b]上连续,limxcf(x)=\lim_{x\to c}f(x)=\infty称点xx为瑕点),称记号

abf(x)dx=defacf(x)dx+cbf(x)dx\int_a^bf(x)\mathrm{d}x\xlongequal{\text{def}} \int_a^cf(x)\mathrm{d}x+\int_c^bf(x)\mathrm{d}x

只有等式右边两个积分都收敛,才称反常积分收敛。也可知该反常积分的收敛与否和收敛时的值。

二、常见反常积分#

1、第一pp反常积分#

a+dxxp={a1pp1,p>1+,p<1\int_a^{+\infty}\frac{\mathrm{d}x}{x^p}= \begin{cases} \dfrac{a^{1-p}}{p-1},p>1\\ +\infty,p<1 \end{cases}

2、第二pp反常积分#

abdx(bx)p={(ba)1p1p,p<1+,p1\int_a^b\dfrac{\mathrm{d}x}{(b-x)^p}= \begin{cases} \dfrac{(b-a)^{1-p}}{1-p},p<1\\ +\infty,p\ge1 \end{cases}

3、Γ\Gamma函数#

Γ\Gamma函数的定义式:

Γ(s)=0+xs1exdx(s>0)\Gamma(s)=\int_0^{+\infty}x^{s-1}e^{-x}\mathrm{d}x\quad(s>0)

Γ\Gamma函数的性质:

Γ(s+1)=sΓ(s)s>0\Gamma(s+1)=s\Gamma(s)\quad s>0Γ(1)=1\Gamma(1)=1Γ(n+1)=n!\Gamma(n+1)=n!Γ(s)Γ(1s)=πsinπs\Gamma(s)\Gamma(1-s)=\dfrac{\pi}{\sin \pi s}

Γ\Gamma函数定义域的扩展:

Γ(s)=Γ(s+1)s1<s<0Γ(s)=Γ(s+1)s=Γ(s+2)s(s+1)2<s<1\begin{aligned} &\Gamma(s)=\dfrac{\Gamma(s+1)}s\quad -1<s<0\\ &\Gamma(s)=\dfrac{\Gamma(s+1)}s=\dfrac{\Gamma(s+2)}{s(s+1)}\quad -2<s<-1\\ \end{aligned}
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反常积分
https://www.laoguantx.cn/posts/improperintegrals/
作者
老官童鞋gogo
发布于
2024-12-24
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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