反常积分

∫ − a + a x 1 + x 2 d x = 0 如 果 非 要 为 这 份 爱 加 上 一 个 期 限 我 希 望 是 一 万 年 − − − − − − 反 常 积 分 ∫ − ∞ + ∞ x 1 + x 2 d x = − ∞ \int_{-a}^{+ a }\frac{x}{1+x^2}dx=0 \\ 如果非要为这份爱加上一个期限我希望是一万年------反常积分\\ \int_{-\infty}^{+ \infty }\frac{x}{1+x^2}dx=-\infty a+a1+x2xdx=0+1+x2xdx=
不 能 用 奇 函 数 的 性 质 , 因 为 ( − ∞ , + ∞ ) 关 于 0 不 是 精 确 对 称 的 不能用奇函数的性质,因为({-\infty},{+ \infty })关于0不是精确对称的 (,+)0


无穷积分收敛等价于后边“余项”的积分为零

反例:
一尺之棰,日取其半,万世不竭。
换句话说就是,即使你把每天所取的万世不竭的部分加起来,也就刚开始那根棒子那么多而已

### 反常积分收敛的定义 反常积分主要分为无穷区间的反常积分和无界函数的反常积分。 - **无穷区间的反常积分**:设函数\(f(x)\)在区间\([a, +\infty)\)上连续,取\(t > a\),如果极限\(\lim\limits_{t \to +\infty} \int_{a}^{t} f(x)dx\)存在,则称此极限为函数\(f(x)\)在无穷区间\([a, +\infty)\)上的反常积分,记作\(\int_{a}^{+\infty} f(x)dx\),这时也称反常积分\(\int_{a}^{+\infty} f(x)dx\)收敛;如果上述极限不存在,就称反常积分\(\int_{a}^{+\infty} f(x)dx\)发散。类似地,可定义\(f(x)\)在\((-\infty, b]\)及\((-\infty, +\infty)\)上的反常积分及其收敛性。 - **无界函数的反常积分**:设函数\(f(x)\)在\((a, b]\)上连续,而在点\(a\)的右邻域内无界。取\(\varepsilon > 0\),如果极限\(\lim\limits_{\varepsilon \to 0^{+}} \int_{a + \varepsilon}^{b} f(x)dx\)存在,则称此极限为函数\(f(x)\)在\((a, b]\)上的反常积分,记作\(\int_{a}^{b} f(x)dx\),这时也称反常积分\(\int_{a}^{b} f(x)dx\)收敛;如果上述极限不存在,就称反常积分\(\int_{a}^{b} f(x)dx\)发散。类似地,可定义在\([a, b)\)上有奇点以及在\([a, c)\)和\((c, b]\)上有奇点的无界函数反常积分及其收敛性。 ### 反常积分收敛的判定方法 - **直接计算法**:若反常积分可以直接计算出值,则该反常积分一定收敛。例如某些简单的反常积分通过牛顿 - 莱布尼茨公式计算出具体的数值,就可判断其收敛性 [^1]。 - **比较法**:设函数\(f(x)\)、\(g(x)\)在区间\([a, +\infty)\)上连续,且\(0 \leq f(x) \leq g(x)\),若\(\int_{a}^{+\infty} g(x)dx\)收敛,则\(\int_{a}^{+\infty} f(x)dx\)收敛;若\(\int_{a}^{+\infty} f(x)dx\)发散,则\(\int_{a}^{+\infty} g(x)dx\)发散。对于无界函数的反常积分也有类似的比较判别法 [^1]。 - **\(p\)积分法**: - **常规型**:\(\int_{1}^{+\infty} \frac{1}{x^p}dx\),当\(p > 1\)时收敛,当\(p \leq 1\)时发散。 - **其他型**:例如\(\frac{1}{x\ln x}\)的积分是发散的,还有一些相关的常用结论可用于判断反常积分的敛散性 [^1]。 ### 相关知识 - 反常积分收敛性与函数极限关系:以无穷区间的反常积分为例,设\(f(x)\)在\([a, +\infty)\)有定义,\(\lim\limits_{x \to +\infty} f(x) = 0\)并不能保证\(\int_{a}^{+\infty} f(x)dx\)收敛,如\(\int_{1}^{+\infty} \frac{1}{x^p}(p \leq 1)\);反之,若\(\int_{a}^{+\infty} f(x)dx\)收敛,也不能保证\(\lim\limits_{x \to +\infty} f(x) = 0\),甚至无法保证\(f(x)\)在\([a, +\infty)\)上有界 [^2]。 ### 示例代码(Python 计算反常积分近似值辅助判断收敛性) ```python import scipy.integrate as spi import numpy as np # 定义被积函数 def f(x): return 1 / (x**2) # 计算反常积分近似值 result, error = spi.quad(f, 1, np.inf) print(f"反常积分近似值: {result}, 误差估计: {error}") ```
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