Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
_er_er_files_book894_book.pdf
Скачиваний:
183
Добавлен:
12.03.2015
Размер:
1 Мб
Скачать
☆
+∞
∫ f (x)dx .
a

Несобственные интегралы

Определенный интеграл ∫b f (x)dx , где промежуток интегрирования [а; b] конечный, а

a

подынтегральная функция f(x) непрерывна на отрезке [а; b], называют еще собственным интегралом.

Рассмотрим так называемые несобственные интегралы, т.е. определенный интеграл от непрерывной функции, но с бесконечным промежутком интегрирования или определенный интеграл с конечным промежутком интегрирования, но от функции, имеющей на нем бесконечный разрыв.

Интеграл с бесконечным промежутком интегрирования (несобственный интеграл I рода)

Пусть функция f(x) непрерывна на промежутке [а; +∞). Если существует конечный предел

lim ∫b f (x)dx , то его называют несобственным интегралом первого рода и обозначают

b→+∞ a

Таким образом, по определению

+∞

b

∫ f (x)dx

= blim→+∞ ∫ f (x)dx .

a

a

В этом случае говорят, что несобственный интеграл

+∞

∫ f (x)dx сходится.

a

Если же указанный предел не существует или он бесконечен, то говорят, что интеграл

+∞

∫ f (x)dx расходится.

a

Аналогично определяется несобственный интеграл на промежутке (-∞; b]:

∫b

f (x)dx = alim→−∞ ∫b

f (x)dx .

−∞

a

 

Несобственный интеграл с двумя бесконечными пределами определяется формулой

+∞

 

 

c

 

+∞

 

 

 

 

∫ f (x)dx = ∫ f (x)dx + ∫ f (x)dx , где с – произвольное число.

 

 

−∞

 

 

−∞

 

c

 

 

 

 

В этом случае интеграл слева сходится лишь тогда, когда сходятся оба интеграла справа.

Отметим, что если непрерывная функция f(x) ≥ 0 на промежутке [а; +∞) и интеграл

+∞

 

∫ f (x)dx

сходится, то он выражает площадь бесконечно длинной криволинейной трапеции

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞

dxx2 ;

Пример. Вычислить несобственные интегралы или установить их расходимость: 1) ∫1

2) ∫0 cos xdx ; 3)

∞∫ dx .

 

 

 

 

− ∞

 

 

 

1 x

 

 

 

 

 

Решение:

 

 

 

 

 

 

 

1) +∞ dx =

 

b

x−2dx = − lim 1

b = - (0 - 1) = 1, интеграл сходится;

 

 

lim

 

 

∫

x

2

b→+∞ ∫

b→+∞

x

|1

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

45

В некоторых задачах нет необходимости вычислять интеграл; достаточно лишь знать, сходится ли он или нет.
Признаки сходимости.

2)

0

cos xdx =

0

cos xdx = lim sin x

0

 

lim sin a , интеграл расходится, так как при a → - ∞

∫

lim

= 0 −

 

 

 

a→−∞ ∫

a→−∞

|a

 

a→−∞

 

− ∞

 

 

a

 

 

 

 

предел lim sin a не существует.

 

 

 

 

 

a→−∞

 

 

 

 

 

 

3)

∞ dx

= lim b

dx

= limlnb = ∞ , интеграл расходится.

 

∫1 x

b→∞ ∫1 x

b→∞

 

 

 

1. Если на промежутке [а; +∞) непрерывные функции f(x) и ϕ(х) удовлетворяют условию 0 ≤

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞

 

 

 

+∞

 

f(x) ≤ ϕ(х), то из сходимости интеграла

∫ϕ (x)dx следует сходимость интеграла ∫ f (x)dx , а из

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞

 

расходимости интеграла

 

∫ f (x)dx следует расходимость интеграла ∫ϕ (x)dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

dx

 

 

 

 

 

 

Пример Сходится ли интеграл ∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

?

 

 

 

 

 

 

x2 (1+ 3x )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. Но интеграл ∫1 dxx2

 

 

 

 

 

 

При x ≥ 1 имеем,

 

 

 

 

 

 

<

 

 

= 1 сходится. Следовательно, интеграл

x2 (1+ 3x )

x2

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

dx

также сходится (и его значение меньше 1).

 

 

 

x2 (1+ 3x )

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Если существует предел lim

f (x)

= k, 0 < k < ∞ (f(x) > 0 и ϕ(x) > 0), то интегралы

∞ f (x)dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

ϕ (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и ∫ϕ (x)dx одновременно оба сходятся или оба расходятся (т.е. ведут себя одинаково в смысле

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сходимости).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞

2

+ 2

 

 

 

Пример. Исследовать сходимость интеграла ∫ln

x

dx .

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

x

+ 1

 

 

 

Решение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞

2

+ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞

 

 

 

 

Интеграл ∫ln

x

dx

 

сходится, так как интеграл

∫ dx2

сходится и

 

 

2

+1

 

 

 

 

 

1

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 x

 

 

 

 

 

ln

x2 + 2

 

 

 

 

 

ln(1+

1

 

)

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

= lim

 

x2 +1

= lim

x2 +1

=1.

 

 

 

 

 

 

 

x2 +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+∞

1

 

 

 

x→+∞

1

 

 

 

 

x→+∞

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

Интеграл от разрывной функции (несобственный интеграл II рода)

Пусть функция f(x) непрерывна на промежутке [а; b] и имеет бесконечный разрыв при х = b.

Если существует конечный предел limb∫−ε f (x)dx , то его называют несобственным интегралом

ε →0 a

b

второго рода и обозначают ∫ f (x)dx .

а

46

Таким образом, по определению,

b

b−ε

 

∫ f (x)dx =limε →0

∫ f (x)dx .

 

а

a

 

Если предел в правой части существует, то несобственный интеграл∫b

f (x)dx сходится. Если

 

а

 

же указанный предел не существует или бесконечен, то говорят, что интеграл ∫b f (x)dx

а

расходится.

Аналогично, если функция f(x) терпит бесконечный разрыв в точке x = a, то полагают

b

ε →0

b

f (x)dx .

∫

∫

 

f (x)dx =lim

 

а

 

a+ε

 

Если функция f(x) терпит разрыв во внутренней точке с отрезка [а; b], то несобственный интеграл второго рода определяется формулой

∫b

f (x)dx = ∫с

f (x)dx + ∫b

f (x)dx .

а

а

с

 

В этом случае интеграл слева называют сходящимся, если оба несобственных интеграла, стоящих справа, сходятся.

b

В случае, когда f(x) > 0, несобственный интеграл второго рода ∫ f (x)dx (разрыв в точке x = b)

а

можно толковать геометрически как площадь бесконечно высокой криволинейной трапеции.

Пример. Вычислить ∫1 dx .

0 x2

Решение:

При х = 0 функция у =

1

 

терпит бесконечный разрыв;

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

dx

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

∫

= lim

 

x

−2

dx = − lim

1

= −(1

− lim

) = ∞ ,

x

2

∫

 

x

|0+ε

ε

ε →0

 

 

ε →0

 

ε →0

 

0

 

 

0+ε

 

 

 

 

 

 

 

Признаки сходимости для несобственных интегралов второго рода.

Пусть на промежутке [а; b] функции f(x) и ϕ(х) непрерывны, при х = b терпят бесконечный разрыв и удовлетворяют условию 0 ≤ f(x) ≤ ϕ(х). Из сходимости интеграла ∫b ϕ (x)dx вытекает

 

а

b

b

сходимость интеграла ∫ f (x)dx , а из расходимости интеграла ∫ f (x)dx вытекает расходимость

а

а

интеграла ∫b ϕ (x)dx .

а

Пусть функции f(x) и ϕ(х) непрерывны на промежутке [а; b) и в точке х = b терпят разрыв.

x→b

f (x)

 

b

 

 

∫

 

∫

 

 

Если существует предел lim

= k, 0 < k < ∞, то интегралы

 

f (x)dx

и

b

ϕ (x)dx одновременно

 

ϕ (x)

а

 

 

а

 

сходятся или одновременно расходятся.

47

Пример. Сходится ли интеграл ∫1

dx

?

sin x

0

 

Решение:

 

 

Функция f(x) = sin1 x имеет на [0; 1] единственный разрыв в точке х = 0. Рассмотрим

функцию ϕ(х) = 1 . Интеграл x

1

dx

= lim

1

dx

= limln x 1 = 0 − limlnε

0

x

ε →0

0+ε

x

ε →0

|ε

ε →0

∫

 

 

∫

 

 

 

расходится. И так как

 

 

lim

f (x)

= lim

 

 

x

= 1,

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

ϕ (x)

x→0 sin x

 

 

 

 

то интеграл ∫1

 

dx

 

также расходится.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 sin x

 

 

 

Геометрические приложения

Схемы применения определенного интеграла

Пусть требуется найти значение какой-либо геометрической или физической величины А (площадь фигуры, объем тела, давление жидкости на вертикальную пластину и т.д.), связанной с отрезком [а; b] изменения независимой переменной х. Предполагается, что эта величина А аддитивна, т. е. такая, что при разбиении отрезка [а; b] точкой с (а; b) на части [а, с] и [с; b] значение величины А, соответствующее всему отрезку [a; b], равно сумме ее значений, соответствующих [а; с] и [с, b].

Для нахождения этой величины А можно руководствоваться одним из двух методов: методом интегральных сумм или методом дифференциала.

Первый метод базируется на определении определенного интеграла.

1 Точками x0 = a, x1, … xn = b разбить отрезок [а; b] на n частей. В соответствии с этим, интересующая нас величина А разобьется на n «элементарных слагаемых» Ai (i = 1, …, n): A = A1 + A2 + … + An.

2. Представить каждое «элементарное слагаемое» в виде произведения некоторой функции (определяемой из условия задачи), вычисленной в произвольной точке соответствующего отрезка на его длину: Ai ≈ f(ci) xi.

При нахождении приближенного значения Ai допустимы некоторые упрощения: дугу на малом участке можно заменить хордой, стягивающей ее концы; переменную скорость на малом участке можно приближенно считать постоянной и т.д.

Получим приближенное значение величины А в виде интегральной суммы:

n

A ≈ f(c1) x1 + … + f(cn) xn = ∑ f (ci ) xi .

i=1

3.Искомая величина А равна пределу интегральной суммы, т.е.

 

n

b

A = limn→∞

∑ f (ci )

xi = ∫ f (x)dx.

 

i=1

a

Указанный «метод сумм», как видим, основан на представлении интеграла как о сумме бесконечно большого числа бесконечно малых слагаемых.

48