本文是本人写于2009-08-20 20:16和2009-08-21 09:10两个时间段的文章,首次发在http://tieba.baidu.com/club/9314369/p/1996733 由于贴吧俱乐部功能的下线,现将本文转移到此,以防百度删除。
在本文中这样书写这些符号: 定积分 Int(f(x),上标,下标). 极限 lim(f(x),a→b)
在本文中,我们考虑一种广义积分,其积分区间倒是有界的,但是被积函数在区间之某些点处没有定义,并且在那些点附近是无界的。我记得课本上把这种点称之为瑕点。如:Int(1/sqrt(x),1,0),被积函数1/sqrt(x)在x=0附近便是无界的,所以x=0就是一个瑕点。
在本文中,我们总假定f(x)与g(x)都是区间a<x≤b上的函数,并且对于任何a<u≤b,函数f(x)与g(x)皆在[u,b]上可积,此后不再每次声明。
定义:若lim(Int(f(x),b,u),u→a)=A,则称瑕积分Int(f(x),b,a)是收敛的,并且定义它的值为A.假如 lim(Int(f(x),b,u),u→a)不存在,则称Int(f(x),b,a)是发散的。
例:瑕积分I=Int(1/(x-a)^p,b,a)在p<1时收敛,而在p≥1时发散. 因为对于a<u<b,Int(1/(x-a)^p,b,u) = ① [1/(1-p)]*[(b-a)^(1-p)-(u-a)^(1-p)],当p≠1时, ② log((b-a)/(u-a)),当p=1时, 显然对于p<1, lim([(b-a)^(1-p)-(u-a)^(1-p)]/(1-p),u→a)=[(b-a)^(1-p)]/(1-p). 故I在p<1时收敛,但于P>1,P=1时, im([(b-a)^(1-p)-(u-a)^(1-p)]/(1-p),u→a),lim(log[(b-a)/(u-a)],u→a) 都不存在,故I在p≥1时发散.
瑕积分的理论和无穷积分的理论是完全平行的,所以,有如下结论: 1、Int(f(x),b,a)收敛(发散)的充要条件是:有a<c≤b,使Int(f(x),c,a)收敛(发散). 2、若f(x)是非负的,则Int(f(x),b,a)收敛之充要条件是φ(u)=Int(f(x),b,u)为u的有界函数. 3、若有a<c≤b,使当a<x≤c时,0≤f(x)≤g(x),则 (i)当Int(g(x),b,a)收敛时,Int(f(x),b,a)收敛. (ii)当Int(f(x),b,a)发散时,Int(g(x),b,a)发散. 4、若Int(|f(x)|,b,a)收敛,则Int(f(x),b,a)收敛. 5、对于(a,b)上恒正的函数g(x),我们有 (i)设lim(f(x)/g(x),x→a)=μ,且μ≠0,则Int(f(x),b,a)与Int(g(x),b,a)同时收敛或者发散; (ii)设lim(f(x)/g(x),x→a)=0,则当Int(g(x),b,a)收敛时,Int(f(x),b,a)也收敛; (iii)设lim(f(x)/g(x),x→a)=+∞,则当Int(g(x),b,a)发散时,Int(f(x),b,a)也发散. 6、设lim(f(x)(x-a)^α,x→a)=μ≠0,则Int(f(x),b,a)在α<0时收敛,而在α≥1时发散. 7、(关于瑕积分之Cauchy收敛原则[如果我没记错])瑕积分Int(f(x),b,a)收敛之充要条件是:对于任给ε>0.恒有a<δ<b,使当a<u'<u''<δ时,|Int(f(x),u'',u')|<ε. 8、(关于瑕积分之Dirichlet检定法[如果我没记错])设g(x)是恒正的,单调上升的函数,且lim(g(x),x→a)=0.若有常数M使对于一切u>a皆有|Int(f(x),b,u)|<M,则瑕积分Int(f(x)*g(x),b,a)收敛. 上述8条,论证和无穷积分的理论是基本相似的,各位如果有兴趣,可以自己试试看看,尝试证明,本人精力有限,便不再写出。
以上我们锁讨论者虽然只是一中类型的瑕积分,但它是典型的,比照着它,我们可考虑区间a≤x<c上的函数f(x)假定于任何u:a<u<c,函数f(x)皆在[a,u]上可积,若极限lim(Int(f(x),u,a),u→c)存在,则称瑕积分Int(f(x),c,a)收敛;否则,便说它是发散的,根据这定义,我们便不难证出瑕积分Int(φ(x),c,a)之各种基本性质. 还有一种瑕积分,其被积函数φ(x)仅定义在开区间(a,b)上,可任取a与b之间的一点c,假如瑕积分Int(f(x),c,a)与Int(f(x),b,c)皆收敛,则称瑕积分Int(f(x),b,a)收敛,并且定义Int(f(x),b,a)=Int(f(x),c,a)+Int(f(x),b,c).
例:对于瑕积分I=Int(log(sin(x)),π/2,0), 令y=1/sin(x),则当α>0时, lim(log(sin(x))/(1/sin^α(x)),x→0)=lim(-log(y)/y^α,y→∞)=0, 从而lim(log(sin(x))/(1/sqrt(x)),x→0)=lim(log((sin(x))/(1/sqrt(sin(x))))*(1/sqrt(sin(x))/(1/sqrt(x))),x→0)=0 根据前面的例题,积分Int(1/sqrt(x),1,0)收敛,从上文所写第五条之结论(ii)便知瑕积分I是收敛的。