本节在第一小节中从一个例题开始,讨论敛散性判别法.对 Dirichlet 判别法和 Abel 判别法的必要性给出证明和改进.在后两个小节中给出例题和练习题.
12.2.1 敛散性判别法
Section titled “12.2.1 敛散性判别法”下面先看一个简单例题.在其中我们将从基本定义出发进行讨论,而不直接应用某个判别法,其目的是说明这里所遇到的问题的一般特征.
设 f 在 [a, +∞) (a > 1) 上内闭可积,且已知广义积分
∫_ a ^ + ∞ x f (x) d x收敛,证明: 广义积分 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 也收敛.
证明
如果 f 非负,则可以写出不等式
0 ≤slant ∫_ a ^ A f (x) d x ≤slant ∫_ a ^ A x f (x) d x,其中两个积分作为变上限 A 的函数都是单调增加函数。由于右边在 A → +∞ 时存在极限,中间的积分作为 A ∈ [a, +∞) 的函数就是有上界的单调增加函数,因此当 A → +∞ 时也有极限。这就证明了 f 在区间 [a, +∞) 上的广义积分收敛。对于 f 非正情况的讨论是类似的。这就是比较判别法。
但是当 f 为变号函数时,上面的比较方法不能直接使用 ①.这时需要两个新的工具: (1) 广义积分的 Cauchy 收敛准则,(2) 积分第二中值定理.
任取 a < A < A',对于积分
| ∫_ A ^ A ^ prime f (x) d x | = | ∫_ A ^ A ^ prime x f (x) · frac 1x d x |,利用右边积分号下第二个因子 1/x 单调且非负,就有 ξ ∈ (A, A'),使得成立
| ∫_ A ^ A ^ prime f (x) d x | = | frac 1A ∫_ A ^ ξ x f (x) d x |,然后利用条件就可以使得左边的积分当 A, A' 充分大时小于事先给定的 ε > 0 ,因此 f 在 [a, +∞) 上广义可积.
注意在证明过程中两次应用 Cauchy 收敛准则,一次是用收敛的必要条件,另一次是用收敛的充分条件.实际上从广义积分开始,在后面的无穷级数和含参积分各章中各种形式的 Cauchy 收敛准则都要起非常重要的作用.其中的基本理由和上面这个简单例题是相同的.初学者可以复习一下 §3.4 中对于 Cauchy 收敛准则的基本内容.
上面的证明实际上重复了 Abel 判别法与 Dirichlet 判别法的推导过程.当然可以直接应用这两个判别法之一来达到目的.
这里需要指出,Abel 判别法和 Dirichlet 判别法中的条件不仅是广义积分收敛的充分条件,同时也是必要条件.当然,Abel 判别法的必要性是平凡的.但是 Dirichlet 判别法的必要性则是较新的发现,多数教科书中都没有收入.下面我们给出它的证明 (参见 [68]).
设 f 在 [a, b) 上内闭可积,b 为奇点,广义积分 ∫ₐ^(b) f 收敛的充分必要条件是存在分解 f = uv,使得
(1) 函数 u 在 [a, b) 上单调,且 limₓ → b⁻ u(x) = 0 ;
(2) 对任何 b' > a,积分 ∫ₐ^(b') v(x) dx 存在且有界.
证明
充分性见一般教科书.下面只对 b = +∞ 情况的必要性给出证明,对于其他情况的证明是类似的.
由于广义积分 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 收敛,根据 Cauchy 收敛准则,存在 A₁ > a,使得对于任何 B > A ≥slant A₁,成立 |∫_(A)^(B) f(x) dx| < 1 .
归纳地可知,对于 n ≥slant 2,存在 Aₙ ≥slant Aₙ-1 + 1,使得对于任何 B > A ≥slant Aₙ,成立 |∫_(A)^(B) f(x) dx| < (1)/(n³).这样得到的 {Aₙ} 是严格单调增加的无穷大数列.
现在定义
u (x) = { l l 1, & a ≤slant x ≤slant A _ 1, frac 1n, & A _ n < x ≤slant A _ n + 1, n ∈ mathbf N _ + . (12.2)和
v (x) = frac f (x)u (x), a ≤slant x < + ∞ , (12.3)这样就有分解 f = uv ,其中函数 u 满足条件 (1) 是明显的,下面只需验证函数 v 满足条件 (2). 容易看出 v 在 [a, +∞) 上内闭可积,因此只需要证明它在任何区间 [a, A] 上的积分有界.
由于当 a ≤slant A ≤slant A₁ 时 v(x) = f(x),因此存在常数 L > 0,使得对这样的 A 成立
| ∫_ a ^ A v (x) d x | < L.若 A > A₁,则存在 n,使得 Aₙ < A ≤slant Aₙ+1.这时根据定义 (12.3) 和 (12.2), 可以先作分解:
∫_ a ^ A v (x) d x = [ ∫_ a ^ A _ 1 + ∫_ A _ 1 ^ A _ 2 + 2 ∫_ A _ 2 ^ A _ 3 + … + (n - 1) ∫_ A _ n - 1 ^ A _ n + n ∫_ A _ n ^ A ] f (x) d x,然后就不难作出所需要的估计如下:
r l & | ∫_ a ^ A v (x) d x | ≤slant | ∫_ a ^ A _ 1 f | + | ∫_ A _ 1 ^ A _ 2 f | + 2 | ∫_ A _ 2 ^ A _ 3 f | + … + (n - 1) | ∫_ A _ n - 1 ^ A _ n f | + n | ∫_ A _ n ^ A f | & ≤slant L + 1 + 2 · frac 12 ^ 3 + … + (n - 1) · frac 1(n - 1) ^ 3 + n · frac 1n ^ 3 & = L + 1 + frac 12 ^ 2 + … + frac 1n ^ 2 & < L + 1 + frac 11 · 2 + … + frac 1(n - 1) n < L + 2.下面我们再观察 Abel 判别法.
设 f 在 [a,b) 上内闭可积, b 为奇点,广义积分 ∫ₐ^(b) f 收敛的充分必要条件是存在分解 f = uv ,使得
(1) 函数 u 在 [a, b) 上单调有界;
(2) 积分 ∫ₐ^(b) v(x) dx 收敛.
讨论与证明
众所周知,Abel 判别法的充分性可以从 Dirichlet 判别法导出,同时其必要性是平凡的,因为可以令 u ≡ 1 , v ≡ f.但是应用 Dirichlet 判别法的必要性可以证明,在 Abel 判别法中的必要性可以加强为: u(x) 不仅单调,而且 u(b⁻) = 0 (见 [68]).
证明是简单的.设 f = uv 是满足 Dirichlet 判别法条件的分解.不妨设其中 u 非负.然后令
u _ 1 = sqrt u, v _ 1 = sqrt u v,就不难看出 f = u₁v₁ 是满足 Abel 判别法条件的分解,而且 u₁(b⁻) = 0.
12.2.2 例题
Section titled “12.2.2 例题”讨论下列广义积分的敛散性:
(1) ∫₁⁺∞((x)/(x² + p) -(p)/(x + 1))dx; (2) ∫₀¹ |ln x|^pdx; (3) ∫₀⁺∞(dx)/(3√(x²(x - 1)²)); (4) ∫₀⁺∞(dx)/(x^p(1 + x²)) (p > 0).
解
容易验证,这 4 个题的被积函数都在奇点附近不变号,因此都可用比较判别法和 Cauchy 判别法 (见教科书) 来解,并且它们的收敛性就是绝对收敛性.
(1) 这是一个无穷限积分.由通分可得
frac xx ^ 2 + p - frac px + 1 = frac (1 - p) x ^ 2 + x - p ^ 2(x ^ 2 + p) (x + 1).当 p=1 时,由
lim _ x → + ∞ x ^ 2 · frac x - 1(x ^ 2 + 1) (x + 1) = 1及 Cauchy 判别法,知原广义积分收敛.
当 p ≠ 1 时,由
lim _ x arrow + ∞ x · frac (1 - p) x ^ 2 + x - p ^ 2(x ^ 2 + p) (x + 1) = 1 - p ≠ 0及 Cauchy 判别法,知原广义积分发散.
(2) 当 p=0 时这是常义积分,而当 p ≠ 0 时这是瑕积分.
当 p>0 时,瑕点是 x=0.这时,由 limₓ → 0⁺ x¹/2 |ln x|^p = 0,知 ∫₀¹ |ln x|^p dx 总是收敛的.
当 p<0 时,虽然被积函数在 x=0 处无定义,但由于 limₓ → 0⁺ |ln x|^(p) = 0,可见 x=0 并不是瑕点.这里要注意: 定积分的可积性和积分值与被积函数在有限个点处的值无关,因此可以采取补充定义的方法来讨论,而且可积性和积分值与补充定义的具体方法无关.
由 limₓ→ 1⁻|ln x|^p = +∞ 知 x=1 是瑕点.由
| ln x | ^ p = | ln (1 - (1 - x)) | ^ p ∼ (1 - x) ^ p = frac 1(1 - x) ^ - p (x arrow 1 ^ -)可知,原积分在 -1 < p < 0 时收敛,而在 p ≤slant -1 时发散.
(3) 此广义积分的瑕点为 x=0, 1.我们可以分别讨论被积函数在区间 [0, 1/2] , [1/2, 1] , [1, 3/2] 和 [3/2, +∞) 上的积分,并将在这四个区间上的积分分别记为 Iᵢ , i=1, 2, 3, 4.这时每个积分只有一个奇点,而且奇点是积分区间的端点.
记被积函数为 f(x) = (1)/(3√(x²(x - 1)²))
对 I₁ ,由 f(x)∼ x⁻2/3(x→ 0⁺) ,可知 I₁ 收敛.
对 I₂ 和 I₃,由 f(x) ∼ (x - 1)⁻2/3 ( x → 1 ), 可知 I₂, I₃ 均收敛.
最后,由 f(x) ∼ x⁻4/3 (x → +∞),可知 I₄ 收敛.
因为 I₁, I₂, I₃, I₄ 都收敛,所以原广义积分收敛.
(4) 这是一个无穷限积分,同时 x=0 又是瑕点.下面我们分别讨论被积函数在区间 [0,1] 和 [1, +∞) 上的积分,并将这两个积分记为 I₁ 和 I₂ .
对 I₁ ,由于
lim _ x arrow 0 ^ + x ^ p · frac 1x ^ p (1 + x ^ 2) = 1,因此 p<1 时 I₁ 收敛,而 p ≥slant 1 时 I₁ 发散.
对 I₂ ,由于
lim _ x arrow + ∞ x ^ p + 2 frac 1x ^ p (1 + x ^ 2) = 1,而由 p>0 知 p+2>1,因此 I₂ 收敛.
合并以上讨论,知原广义积分在 p ≥slant 1 时发散,在 0 < p < 1 时收敛.square
在题 (1) 中两个广义积分 ∫₁⁺∞(x)/(x² + p)dx 与 ∫₁⁺∞(p)/(x + 1)dx 都是发散的,但不能因此得出
∫_ 1 ^ + ∞ (frac xx ^ 2 + p - frac px + 1) d x是发散的结论.
解题 (2) 时,由于无论 p 取何值,|ln x|^p 在 x=0 处总是无定义的,因此初学者容易在 p<0 时,仍然将 x=0 当作瑕点.教学时应该向学生强调,判别积分区间的一个端点 (或内点) 是不是瑕点的根据不是被积函数是否在该点有定义,而是被积函数是否在该点邻近无界.例如,对于
∫_ 0 ^ + ∞ frac sin xx d x, ∫_ 0 ^ + ∞ x ln x d x等广义积分,x=0 都不是瑕点.
解题 (3) 时,初学者容易犯的错误是忽略位于积分区间内部的瑕点 x=1 .
此外要注意,在没有判定收敛性之前,没有根据写出积分分解的等式.例如对于题 (3), 等式
∫_ 0 ^ + ∞ frac d xsqrt [ 3 ]x ^ 2 (x - 1) ^ 2 = (∫_ 0 ^ frac 12 + ∫_ frac 12 ^ 1 + ∫_ 1 ^ frac 32 + ∫_ frac 32 ^ + ∞) frac d xsqrt [ 3 ]x ^ 2 (x - 1) ^ 2只有在判定右边每个积分收敛之后才成立,而不是在此前.