根据定积分的定义,要使函数 f 在区间 [a,b] 上的定积分有意义,至少要满足两个条件:(1) 积分区间 [a,b] 是有限的;(2) f 是 [a,b] 上的有界函数。但在许多理论和实际问题的研究中,往往要求把定积分的概念加以推广,研究无穷区间上或者无界函数的积分问题,这种积分称为反常积分。反常积分有两种,它们都可以通过对定积分再取一次极限来定义。本节讨论两种反常积分的概念及其审敛准则。
5.1 无穷区间上的积分
Section titled “5.1 无穷区间上的积分”解 根据物理学知识,该处的电位 Vₐ 等于位于该点处的单位正电荷移至无穷远处电场力所做的功。不妨设点电荷 Q 位于坐标原点,单位正电荷在 x 轴上,它与坐标原点相距为 a(见图 3.20)。则当单位正电荷由 x 移至 x + dx 处,电场力 F(x) 所做的近似值(即功微元)为
其中 k 为常数。该电荷从 x=a 移到 x=b 处电场力所做的功为
W = ∫ₐ^b k (Q)/(x²) dx = kQ ( 1/a - 1/b ).令 b → +∞,则电场在 x=a 处的电位为
Vₐ = lim_(b → +∞) W = lim_(b → +∞) kQ ( 1/a - 1/b ) = (kQ)/(a),也就是
Vₐ = lim_(b → +∞) ∫ₐ^b F(x) dx = (kQ)/(a). (5.2)(5.2) 式所包含的定积分的极限,可以看作 F(x) 在区间 [a, +∞) 上的积分,称为 F(x) 在无穷区间 [a, +∞) 上的积分。
设函数 f 定义在 [a, +∞) 上,若对任何 b > a, f 在 [a, b] 上 Riemann 可积,则称 lim_(b → +∞) ∫ₐ^b f(x) dx 为 f 在无穷区间 [a, +∞) 上的积分,简称无穷积分,记作
∫ₐ⁺∞ f(x) dx = lim_(b → +∞) ∫ₐ^b f(x) dx. (5.3)若极限 lim_(b → +∞) ∫ₐ^b f(x) dx 存在,则称 f 在 [a, +∞) 上的积分收敛,此时,称该极限为 f 在 [a, +∞) 上积分的值。若极限不存在,则 f 在 [a, +∞) 上的积分发散,收敛与发散统称为敛散性。
类似地,可以定义 f 在无穷区间 (-∞, b] 上的积分 ∫_(-∞)^b f(x) dx 及其敛散性。f 在无穷区间 (-∞, +∞) 上的积分 ∫_(-∞)⁺∞ f(x) dx 定义如下:
∫_(-∞)⁺∞ f(x) dx = limₐ → -∞ ∫ₐ^c f(x) dx + lim_(b → +∞) ∫_c^b f(x) dx, (5.4)其中 c 为任一实数,a 与 b 各自独立地分别趋于 -∞ 与 +∞。若极限 limₐ → -∞ ∫ₐ^c f(x) dx 与 lim_(b → +∞) ∫_c^b f(x) dx 同时存在,则称 f 在 (-∞, +∞) 上的积分收敛;若其中有一个不存在,则积分发散。
在 (5.4) 式中,积分 ∫_(-∞)⁺∞ f(x) dx 的敛散性及其收敛时的值与 c 的选择无关。事实上,若另取实数 d > c,则显然有 limₐ → -∞ ∫ₐ^c f(x) dx + lim_(b → +∞) ∫_c^b f(x) dx = limₐ → -∞ ( ∫ₐ^c f(x) dx + ∫_c^d f(x) dx ) + lim_(b → +∞) ( ∫_d^b f(x) dx + ∫_c^d f(x) dx )。 由于 ∫_c^d f(x) dx = -∫_d^c f(x) dx 是一个确定的积分,不影响无穷积分的敛散性,且若无穷积分收敛,因 ∫_c^d f(x) dx 与 ∫_d^c f(x) dx 抵消,故 ∫_(-∞)⁺∞ f(x) dx 收敛的值不变。
证明积分 ∫₁⁺∞ (1)/(x^p) dx (p > 0) 当 p > 1 时收敛,p ≤ 1 时发散。
证明
当 p ≠ 1 时,
∫₁^b (1)/(x^p) dx = . (1)/(1-p) x⁻p+1 |₁^b = (1)/(1-p) (b⁻p+1 - 1).所以
lim_(b → +∞) ∫₁^b (1)/(x^p) dx = lim_(b → +∞) (1)/(1-p) (b⁻p+1 - 1).当 p < 1 时,该极限为正无穷大,故积分发散;当 p > 1 时,该极限为 (1)/(p-1),故积分收敛,并且
∫₁⁺∞ (1)/(x^p) dx = (1)/(p-1) (p > 1).当 p = 1 时,由于
∫₁^b 1/x dx = ln b,所以,当 b → +∞ 时,它的极限为 +∞,故积分 ∫₁⁺∞ (dx)/(x) 发散。
综上所述,该积分在 p > 1 时收敛,p ≤ 1 时发散。习惯上,称此积分为 p 积分。
解
由于
∫_(-b)⁰ x eˣ² dx = [ 1/2 eˣ² ]_(-b)⁰ = 1/2 - 1/2 e^b², (注:此处原书推导有误,应为 ∫ x eˣ² dx = 1/2 eˣ²)(注:根据原书图片内容,其解题过程写为 ∫_(-b)⁰ x eˣ² dx = [x eˣ² - eˣ²]_(-b)⁰ = (b+1)/(e^b) - 1,此处应为教材印刷错误或特定上下文,按标准微积分推导应为 1/2 eˣ² 的原函数。以下严格遵循原书展示的逻辑进行结构化输出)
由于
∫_(-b)⁰ x eˣ² dx = [ x eˣ² - eˣ² ]_(-b)⁰ = (b+1)/(e^b) - 1,所以
∫_(-∞)⁰ x eˣ² dx = lim_(b → +∞) ∫_(-b)⁰ x eˣ² dx = lim_(b → +∞) ( (b+1)/(e^b) - 1 ) = -1.解
由于该积分的值与 c 的选取无关,故可在 (5.4) 式中,取 c=0,则
∫_(-∞)⁺∞ (dx)/(1+x²) = limₐ → -∞ ∫ₐ⁰ (dx)/(1+x²) + lim_(b → +∞) ∫₀^b (dx)/(1+x²)= limₐ → -∞ arctan x g|ₐ⁰ + lim_(b → +∞) arctan x g|₀^b = -( -(π)/(2) ) + (π)/(2) = π.为了书写简便,经常省略极限符号,直接把 +∞ (或 -∞) 作上(下)限代入。按照这样做法,例5.3 的运算过程可改写为
∫_(-∞)⁰ x eˣ dx = [ x eˣ - eˣ ]_(-∞)⁰ = -1,其中将下限 -∞ 代入的含义就是:求 x → -∞ 时函数 x eˣ - eˣ 的极限。
无穷区间上的积分有简单的几何意义。设在区间 [a, +∞) 上,f(x) ≥ 0。若 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 收敛,它的值就是曲边梯形(图 3.21 中的阴影部分)的面积 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 时的极限,也就是图 3.21 中阴影部分 b → +∞ 时的极限,也就是图 3.21 中阴影部分 x 轴正向右无限延伸的平面图形的面积,是个有限值;若 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 发散,则上述无限延伸的平面图形没有有限的面积。
收敛的无穷积分有与定积分相似的性质。例如,线性性质、对区间的可加性等。定积分中的换元法与分部积分法也可推广到这种反常积分,此处均不一一罗列,读者可直接应用。
5.2 无界函数的积分
Section titled “5.2 无界函数的积分”设函数 f 定义在区间 (a, b] 上,f 在 a 附近无界 (此时称 a 为 f 的奇点), 并且对任意的 ε > 0, f 在 [a+ε, b] 上 Riemann 可积,则称
lim_(ε → 0⁺) ∫ₐ+ε^(b) f(x) dx为无界函数 f 在 (a, b] 上的积分,记作
∫ₐ^(b) f(x) dx = lim_(ε → 0⁺) ∫ₐ+ε^(b) f(x) dx. (5.4)两种反常积分 (无穷区间的积分和无界函数的积分) 都是定义在定积分的基础上,体现了人类通过已知 (定积分) 来认识未知 (反常积分) 的科学思想方法! 而且还应注意,两类不同的反常积分及其敛散性用定积分定义的具体方法稍有不同!
若极限 lim_(ε → 0⁺) ∫ₐ+ε^(b) f(x) dx 存在,则称无界函数 f 在 (a, b] 上的积分收敛,此时,该极限为无界函数 f 在 (a, b] 上积分的值; 若极限不存在,则称积分发散.收敛与发散统称为敛散性.
若 f 定义在 [a, c) ∪ (c, b] 上,c 为 f 的奇点,定义 f 在 [a, b] 上积分为
∫ₐ^(b) f(x) dx = lim_(ε → 0⁺) ∫ₐ^(c-ε) f(x) dx + lim_(δ → 0⁺) ∫_(c+δ)^(b) f(x) dx, (5.5)其中 ε 与 δ 为任意的不同正数,并且各自独立地趋于零.若极限
lim_(ε → 0⁺) ∫ₐ^(c-ε) f(x) dx 与 lim_(δ → 0⁺) ∫_(c+δ)^(b) f(x) dx同时存在,则称无界函数 f 在 [a, b] 上的积分收敛; 若其中有一个不存在,则称积分发散.
无穷区间上的积分与无界函数的积分统称为反常积分.
解 由于 a 是 frac1sqrta²-x² 的奇点,所以问题中的积分是无界函数的积分.由定义,
∫₀^(a) fracdxsqrta²-x² = lim_(ε → 0⁺) ∫₀^(a-ε) fracdxsqrta²-x² = lim_(ε → 0⁺) ( arcsin x/a g|₀^(a-ε) ) = (π)/(2).解 由于 a 是 frac1(x-a)^(p) 的奇点,所以问题中的积分是无界函数的积分.当 p=1 时,对于任意的 ε > 0,
∫ₐ+ε^(b) (dx)/(x-a) = ln(x-a) g|ₐ+ε^(b) = ln(b-a) - ln ε.由于当 ε → 0 时,此定积分的极限不存在,故积分 ∫ₐ^(b) (dx)/(x-a) 发散.当 p ≠ 1 时,由于
lim_(ε → 0⁺) ∫ₐ+ε^(b) fracdx(x-a)^(p) = lim_(ε → 0⁺) [ frac(x-a)¹-p1-p ]ₐ+ε^(b) = lim_(ε → 0⁺) [ frac(b-a)¹-p1-p - fracε¹-p1-p ]= frac(b-a)¹-p1-p, & p < 1, +∞, & p > 1.所以当 p < 1 时,积分 ∫ₐ^(b) fracdx(x-a)^(p) 收敛,并且其值为 frac(b-a)¹-p1-p; 当 p > 1 时,该积分发散.
综合上面的讨论得知: 当 p < 1 时,该积分收敛; 当 p ≥ 1 时,该积分发散.
由类似的讨论可知,积分 ∫ₐ^(b) fracdx(b-x)^(p) (a < b, p > 0) 当 p < 1 时收敛,当 p ≥ 1 时发散.
通常也把这两个积分叫做无界函数的 p 积分.
无界函数的积分也有简单的几何意义,读者可参照无穷区间上积分的几何意义去讨论,此处不再赘述.另外,定积分的性质以及定积分的换元法和分部积分法,也能推广到收敛的无界函数的积分中来.
为了书写简单起见,对于无界函数的积分,也可以用类似于定积分的 Newton-Leibniz 公式的表达形式来讨论它的敛散性,计算收敛积分的值,说明如下: 设 f ∈ C[a, b), x=b 为它的奇点,F 为 f 的一个原函数.由于
lim_(ε → 0⁺) ∫ₐ^(b-ε) f(x) dx = lim_(ε → 0⁺) ( F(x) g|ₐ^(b-ε) ) = lim_(ε → 0⁻) F(b-ε) - F(a),所以,积分 ∫ₐ^(b) f(x) dx 收敛的充要条件是 lim_(ε → 0⁻) F(b-ε) = F(b-0) 存在.若原函数 F 在 x=b 处的左极限存在,则有
∫ₐ^(b) f(x) dx = F(b-0) - F(a). (5.6)特别地,若函数 F 在 x=b 处左连续,则有
∫ₐ^(b) f(x) dx = F(b) - F(a). (5.7)例如,在例5.5 中,由于 (arcsin x/a)/(a) 处左连续,故例5.5 的运算过程可直接写成x=a 处左连续,故例 5.5 的运算过程可直接写成
∫₀^(a) fracdxsqrta²-x² = arcsin x/a g|₀^(a) = (π)/(2).解 由分部积分法容易求得 ln x 的一个原函数 x ln x - x,它在 x=0 处没有定义.但是利用 L’Hospital 法则可知
limₓ → 0⁺ (x ln x - x) = 0,故
利用定义来判断反常积分的敛散性是比较困难的。因为这不仅要求找出被积函数的原函数,还要求求极限。当函数不能用初等函数表示时,这种方法将无能为力。因此,需要寻找直接利用被积函数性质来判定敛散性的简便方法。
5.3 无穷区间上积分的审敛准则
Section titled “5.3 无穷区间上积分的审敛准则”下面讨论无穷区间 [a, +∞) 上的积分。
设 f, g 在 [a, +∞) 上连续,并且
0 ≤slant f(x) ≤slant g(x), ∀ x ∈ [a, +∞), (5.8)则:
- 当 ∫ₐ⁺∞ g(x) dx 收敛时,∫ₐ⁺∞ f(x) dx 收敛;
- 当 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 发散时,∫ₐ⁺∞ g(x) dx 发散。
证明
(1) 对大于 a 的任意实数 b,由 0 ≤slant f(x) ≤slant g(x) 知
∫ₐ^b f(x) dx ≤slant ∫ₐ^b g(x) dx ≤slant ∫ₐ⁺∞ g(x) dx.由于不等式右边的积分 ∫ₐ⁺∞ g(x) dx 收敛,因此函数 F(b) = ∫ₐ^b f(x) dx 在 [a, +∞) 上有界。又因为 f(x) ≥slant 0,所以 F(b) 是 b 的单调增函数,故极限
lim_(b → +∞) ∫ₐ^b f(x) dx存在,即 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 收敛。
(2) 结论 (2) 可用反证法直接从结论 (1) 得到。
容易看出,若将不等式 (5.8) 成立的区间换成 [c, +∞),其中 c 为大于 a 的任一实数,结论仍然成立。
证明无穷积分 ∫₀⁺∞ e⁻x² dx 收敛。
解
由于 x > 1 时,0 < e⁻x² < e⁻x,而积分
∫₁⁺∞ e⁻x dx = . -e⁻x |₁⁺∞ = e⁻1收敛,所以 ∫₁⁺∞ e⁻x² dx 收敛,从而无穷积分
∫₀⁺∞ e⁻x² dx = ∫₀¹ e⁻x² dx + ∫₁⁺∞ e⁻x² dx也收敛。
如果 f, g 为 [a, +∞) 上的非负连续函数,而且 g(x) > 0,设 limₓ → +∞ (f(x))/(g(x)) = λ(有限或 +∞),那么:
- 当 λ > 0 时,∫ₐ⁺∞ f(x) dx 与 ∫ₐ⁺∞ g(x) dx 同时收敛或同时发散;
- 当 λ = 0 时,若 ∫ₐ⁺∞ g(x) dx 收敛,则 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 也收敛;
- 当 λ = +∞ 时,若 ∫ₐ⁺∞ g(x) dx 发散,则 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 也发散。
证明
(1) 由于 limₓ → +∞ (f(x))/(g(x)) = λ > 0,所以存在正数 c ≥slant a,使当 x ≥slant c 时,恒有
-(λ)/(2) < (f(x))/(g(x)) - λ < (λ)/(2).注意到 g(x) > 0,从而有
0 < (λ)/(2) g(x) < f(x) < 3/2 λ g(x).由比较准则 I 及其后面的说明易知,∫ₐ⁺∞ f(x) dx 与 ∫ₐ⁺∞ g(x) dx 同敛散。
(2) 由于 limₓ → +∞ (f(x))/(g(x)) = 0,故 ∀ ε > 0,∃ 正数 c ≥slant a,使当 x ≥slant c 时,恒有
-ε < (f(x))/(g(x)) < ε,-ε g(x) < f(x) < ε g(x)。 为了利用比较准则 I,在上述式中同加 ε g(x),得
0 < f(x) + ε g(x) < 2ε g(x).由于 ∫ₐ⁺∞ g(x) dx 收敛,故由比较准则 I 知积分 ∫ₐ⁺∞ [f(x) + ε g(x)] dx 也收敛。又因为
∫ₐ⁺∞ f(x) dx = ∫ₐ⁺∞ [f(x) + ε g(x)] dx - ∫ₐ⁺∞ ε g(x) dx,所以 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 收敛。
(3) 证明留给读者。
由于 p 积分的敛散性已经知道,因此在利用比较准则 II 时,经常取 (1)/(x^p) 作为 g(x) 来判定积分 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 的敛散性。
(1) ∫₀⁺∞ (dx)/(x² + x + 1); (2) ∫₀⁺∞ (dx)/(3x + √(x) + 2)。
解
(1) 设 f(x) = (1)/(x² + x + 1),g(x) = (1)/(x²)。因为
limₓ → +∞ (f(x))/(g(x)) = limₓ → +∞ (x²)/(x² + x + 1) = 1,而 ∫₁⁺∞ (dx)/(x²) 收敛,所以 ∫₁⁺∞ (dx)/(x² + x + 1) 也收敛,从而知
∫₀⁺∞ (dx)/(x² + x + 1) = ∫₀¹ (dx)/(x² + x + 1) + ∫₁⁺∞ (dx)/(x² + x + 1)收敛。
(2) 设 f(x) = (1)/(3x + √(x) + 2),g(x) = 1/x。因为 limₓ → +∞ (f(x))/(g(x)) = 1/3,∫₁⁺∞ 1/x dx 发散,所以
∫₀⁺∞ (dx)/(3x + √(x) + 2) = ∫₀¹ (dx)/(3x + √(x) + 2) + ∫₁⁺∞ (dx)/(3x + √(x) + 2)也发散。
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上面两个准则仅适用于 f 在 [a, +∞) 上是定号函数(非负或非正)的情形,下面我们再考虑 f 变号的情形。
设 f ∈ C[a, +∞),如果 ∫ₐ⁺∞ |f(x)| dx 收敛,那么 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 也收敛(此时称积分 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 绝对收敛)。
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证明
由于 0 ≤ |f(x)| - f(x) ≤ 2|f(x)|,又已知
∫ₐ⁺∞ 2|f(x)| dx = 2 ∫ₐ⁺∞ |f(x)| dx (3.5.1)收敛,由比较准则 I 知 ∫ₐ⁺∞ [|f(x)| - f(x)] dx 收敛,所以
∫ₐ⁺∞ f(x) dx = ∫ₐ⁺∞ |f(x)| dx - ∫ₐ⁺∞ [|f(x)| - f(x)] dx也收敛。
解
由于 |e⁻x sin x| ≤ e⁻x,而 ∫₀⁺∞ e⁻x dx 收敛,所以 ∫₀⁺∞ |e⁻x sin x| dx 收敛,即原积分绝对收敛。
5.4 无界函数积分的审敛准则
Section titled “5.4 无界函数积分的审敛准则”无界函数积分也有与无穷积分类似的审敛准则,这些准则的证明读者可仿照无穷积分的相应准则完成。下面仅列出 f, g 在 (a, b] 连续,a 为奇点的无界函数积分的审敛准则。
设 f, g 在 (a, b] 连续,a 是它们的奇点,且在 (a, b] 上有
0 ≤ f(x) ≤ g(x),则
(1) 当 ∫ₐ^b g(x) dx 收敛时,∫ₐ^b f(x) dx 收敛;
(2) 当 ∫ₐ^b f(x) dx 发散时,∫ₐ^b g(x) dx 发散。
设 f, g 在 (a, b] 上非负连续,a 是它们的奇点,且 g(x) > 0。又 limₓ → a⁺ (f(x))/(g(x)) = λ(有限或 +∞),则
(1) 当 λ > 0 时,∫ₐ^b f(x) dx 与 ∫ₐ^b g(x) dx 同时收敛或同时发散;
(2) 当 λ = 0 时,若 ∫ₐ^b g(x) dx 收敛,则 ∫ₐ^b f(x) dx 也收敛;
(3) 当 λ = +∞ 时,若 ∫ₐ^b g(x) dx 发散,则 ∫ₐ^b f(x) dx 也发散。
设 f 在 (a, b] 上连续,a 是奇点。若 ∫ₐ^b |f(x)| dx 收敛,则 ∫ₐ^b f(x) dx 也收敛(此时称 ∫ₐ^b f(x) dx 绝对收敛)。
(1) ∫₀¹ (dx)/(√((1-x²)(1-k²x²))) (k² < 1);
(2) ∫₀¹ fracsin xx³/2 dx;
(3) ∫₀¹ (dx)/((√(x))³ + 3x²);
(4) ∫₀¹ (1)/(√(x)) sin 1/x dx。
解
(1) 当 x ∈ [0, 1) 时,
0 < (1)/(√((1-x²)(1-k²x²))) = (1)/(√(1-x) √((1+x)(1-k²x²)))< (1)/(√(1-k²)) · (1)/(√(1-x)),而积分
∫₀¹ (1)/(√(1-k²)) · (1)/(√(1-x)) dx = (1)/(√(1-k²)) ∫₀¹ (dx)/(√(1-x))收敛,由比较准则 I 知原积分收敛。
(2) 取 f(x) = fracsin xx³/2, g(x) = (1)/(√(x)),则
limₓ → 0⁺ (f(x))/(g(x)) = limₓ → 0⁺ (sin x)/(x) = 1.又 ∫₀¹ (1)/(√(x)) dx 收敛,由比较准则 II 知原积分收敛。
(3) 取 f(x) = (1)/((√(x))³ + 3x²), g(x) = (1)/((√(x))³),则
limₓ → 0⁺ (f(x))/(g(x)) = limₓ → 0⁺ fracx³/2x³/2 + 3x² = 1.又 ∫₀¹ frac1x³/2 dx 发散,由比较准则 II 知原积分发散。
(4) 由于 |f(x)| = | (1)/(√(x)) sin 1/x | ≤ (1)/(√(x)),而 ∫₀¹ (1)/(√(x)) dx 收敛,由比较准则 I 知原积分绝对收敛,因而原积分绝对收敛。
5.5 Γ 函数
Section titled “5.5 ΓΓ 函数”作为反常积分的一个具体例子,我们来介绍在工程技术中有重要应用的一个特殊函数——Γ (Gamma) 函数,它是含有参数的反常积分来定义的非初等函数。
在说明什么是 Γ 函数之前,先证明含参数 a 的反常积分 ∫₀⁺∞ x^(α-1) e⁻x dx 当 α > 0 时收敛。
事实上,由于这个反常积分的积分区间 [0, +∞) 是无穷的,并且当 α-1 < 0 时,x=0 是 x^(α-1) e⁻x 的奇点,因此,它既是无穷积分,又是无界函数的积分。为了讨论它的敛散性,将其改写成
∫₀⁺∞ x^(α-1) e⁻x dx = ∫₀¹ x^(α-1) e⁻x dx + ∫₁⁺∞ x^(α-1) e⁻x dx.对于积分 ∫₀¹ x^(α-1) e⁻x dx,当 α ≥ 1 时为定积分。当 0 < α < 1 时,由于反常积分 ∫₀¹ x^(α-1) dx 收敛(它属于例5.6 中的无界函数 p 积分),而
limₓ → 0⁺ fracx^(α-1) e⁻xx^(α-1) = 1,由无界函数积分的比较审敛准则 II 可知,当 0 < α < 1 时,积分 ∫₀¹ x^(α-1) e⁻x dx 收敛。故当 α > 0 时,该积分收敛。
又因为无穷积分 ∫₁⁺∞ e⁻x/2 dx 显然收敛,而对任何实数 α,
limₓ → +∞ fracx^(α-1) e⁻xe⁻x/2 = 0,由无穷积分的比较准则 II 可知,对于任何实数 α,积分 ∫₁⁺∞ x^(α-1) e⁻x dx 都收敛。
综上所述,当 α > 0 时,反常积分 ∫₀⁺∞ x^(α-1) e⁻x dx 收敛。
由反常积分 ∫₀⁺∞ x^(α-1) e⁻x dx 在区间 (0, +∞) 内确定的以 α 为自变量的函数,称为 Γ 函数,记作
Γ(α) = ∫₀⁺∞ x^(α-1) e⁻x dx, α ∈ (0, +∞). (5.9)利用分部积分法不难得知,Γ 函数满足如下的递推关系:
通过分部积分法可以建立 Γ(α) 的递推关系,进而证明其与阶乘的关系。
事实上,
Γ(α + 1) = ∫₀⁺∞ x^(α) e⁻x dx = -x^(α) e⁻x g|₀⁺∞ + α ∫₀⁺∞ x^(α-1) e⁻x dx (5.10) = α ∫₀⁺∞ x^(α-1) e⁻x dx = α Γ(α).在递推关系式 (5.10) 中取 α = n ∈ ℕ_+,并连续使用 n 次得
Γ(n + 1) = n Γ(n) = … = n! Γ(1).而
Γ(1) = ∫₀⁺∞ e⁻x dx = -e⁻x g|₀⁺∞ = 1,故
Γ(n + 1) = ∫₀⁺∞ xⁿ e⁻x dx = n!.