在廣義積分中,你學到了如何將 ∫a∞f 定義為適當積分的極限,並將其分類為收斂(convergence)或發散。對許多函數而言,直接計算這個極限十分困難甚至不可能。你需要的是判別法——讓你無需顯式求極限便能判斷收斂性的準則,就像對無窮級數使用比較判別法而非逐項求和一樣。本章依由簡至繁的順序發展這些判別法,從最基本的比較法到最精妙的振盪被積函數 Abel–Dirichlet 判別法。
柯西收斂判準
最基本的判準是數列柯西條件的直接類比。
定理(柯西收斂判準)。 廣義積分 ∫a∞f(x)dx 收斂若且唯若對任意 ε>0,存在 A≥a 使得對所有 B>A,
∫ABf(x)dx<ε.
證明提要。 定義 F(t)=∫atf(x)dx。積分收斂若且唯若 limt→∞F(t) 存在,若且唯若 F 滿足極限收斂的柯西條件:對充分大的 A、B 有 ∣F(B)−F(A)∣<ε。而 F(B)−F(A)=∫ABf,故這恰好是所述條件。□
對於振盪積分,柯西判準特別有用——你需要說明尾部很小,但不必知道極限值。
比較判別法
當 f 非負時,積分的單調性使得直接比較成為可能。
定理(比較判別法)。 設對所有 x≥a 均有 0≤f(x)≤g(x)。
- 若 ∫a∞g(x)dx 收斂,則 ∫a∞f(x)dx 收斂且 ∫a∞f≤∫a∞g。
- 若 ∫a∞f(x)dx 發散,則 ∫a∞g(x)dx 發散。
證明。 由 f≥0,函數 F(t)=∫atf 是遞增的。若 ∫g 收斂,則對所有 t 有 F(t)≤∫atg≤∫a∞g<∞。有界的遞增函數有有限的極限,故 ∫f 收斂。發散方向由逆否命題得到。□
範例。 對 x≥1,不等式 e−x2≤e−x 成立(因 x2≥x)。由於 ∫1∞e−xdx=e−1 收斂,比較判別法給出 ∫1∞e−x2dx<∞。
極限比較判別法
有時無法直接用一個更簡單的函數界定 f,但可以比較它們的漸近大小。
定理(極限比較判別法)。 設對 x≥a 均有 f(x),g(x)>0,且
x→∞limg(x)f(x)=L,0<L<∞.
則 ∫a∞f 收斂若且唯若 ∫a∞g 收斂。
證明。 由 f/g→L,存在 A 使得對 x≥A 有
2L≤g(x)f(x)≤2L,
即 2Lg(x)≤f(x)≤2Lg(x)。在 [A,∞) 上應用普通比較判別法即得等價性。□
範例。 比較 f(x)=x2+11 與 g(x)=x−2。則 f(x)/g(x)=x2/(x2+1)→1。由於 ∫1∞x−2dx 收斂(p=2>1 的 p 積分),積分 ∫1∞x2+1dx 也收斂。
邊界情形 L=0 或 L=∞。 若 L=0,則 f=o(g):∫g 收斂蘊含 ∫f 收斂,但逆命題未必成立。若 L=∞,則角色互換。
絕對收斂與條件收斂
定義。 若 ∫a∞∣f(x)∣dx 收斂,則稱積分 ∫a∞f(x)dx 絕對收斂(absolutely convergent)。若 ∫a∞f 收斂但 ∫a∞∣f∣ 發散,則稱其條件收斂(conditionally convergent)。
命題。 絕對收斂蘊含收斂。
證明。 由柯西判準與三角不等式:
∫ABf≤∫AB∣f∣.
若 ∫∣f∣ 收斂,則對充分大的 A,∫AB∣f∣ 可以任意小,同樣的界限適用於 ∣∫ABf∣。□
逆命題不成立。積分 ∫1∞xsinxdx 是條件收斂的:它收斂(見下文),但 ∫1∞x∣sinx∣dx=∞(見本章末尾)。
Abel–Dirichlet 判別法
對絕對收斂不成立的振盪積分,下面兩個判別法處理最常見的情況,均是對應級數判別法的連續類比。
Dirichlet 判別法
定理(Dirichlet 判別法)。 設:
- F(x):=∫axf(t)dt 有界:存在 M 使得對所有 x≥a 均有 ∣F(x)∣≤M。
- g 單調遞減趨於 0:g(x)→0(x→∞)。
則 ∫a∞f(x)g(x)dx 收斂。
證明。 在 [A,B] 上應用 Bonnet 定理(積分第二中值定理):存在 ξ∈[A,B] 使得
∫ABf(x)g(x)dx=g(A)∫Aξf(x)dx+g(B)∫ξBf(x)dx.
由 ∫Aξf=F(ξ)−F(A),得 ∣∫Aξf∣≤2M,類似地 ∣∫ξBf∣≤2M。因此
∫ABf(x)g(x)dx≤2Mg(A)+2Mg(B)≤4Mg(A).
由於 g(A)→0(A→∞),柯西判準成立。□
Abel 判別法
定理(Abel 判別法)。 設:
- ∫a∞f(x)dx 收斂。
- g 在 [a,∞) 上單調且有界。
則 ∫a∞f(x)g(x)dx 收斂。
證明。 由 g 單調有界,其有有限極限 L=limx→∞g(x)。寫成 g=(g−L)+L。函數 g−L 單調趨於 0,L 為常數。因此
∫a∞fg=L∫a∞f+∫a∞f(g−L).
第一個積分由假設收斂。第二個積分由 Dirichlet 判別法對 f 與 g−L 收斂(F(x)=∫axf 有界,因為 ∫a∞f 收斂,由柯西判準得)。□
計算範例
∫1∞xsinxdx 收斂(Dirichlet 判別法)
令 f(x)=sinx,g(x)=1/x。原函數 F(x)=−cosx+cos1 對所有 x 滿足 ∣F(x)∣≤2,且 g(x)=1/x↘0。由 Dirichlet 判別法,∫1∞xsinxdx 收斂。
∫1∞x2sinxdx 絕對收斂
對所有 x,x2sinx≤x21。由於 ∫1∞x−2dx 收斂(p=2>1),比較判別法給出絕對收斂。
∫1∞xdx 發散
這是廣義積分中第一類 p 積分的 p=1 情形。由於 lnb→∞,積分發散。
∫1∞x∣sinx∣dx 發散
在每個區間 [kπ,(k+1)π] 上,∣sinx∣≥0 且 ∫kπ(k+1)π∣sinx∣dx=2。由於在該區間上 x1≥(k+1)π1,
∫kπ(k+1)πx∣sinx∣dx≥(k+1)π2.
右端是發散級數(∑1/(k+1) 發散)的通項,故由比較判別法,積分發散。這確認了 ∫1∞xsinxdx 是條件收斂但非絕對收斂的。
摘要
- 柯西判準:∫a∞f 收斂若且唯若對充分大的 A,∣∫ABf∣ 對所有 B>A 均可任意小。
- 比較判別法:對 0≤f≤g,∫g 收斂蘊含 ∫f 收斂;∫f 發散蘊含 ∫g 發散。
- 極限比較判別法:若 f,g>0 且 f/g→L∈(0,∞),則 ∫f 與 ∫g 同時收斂或同時發散。
- 絕對收斂(∫∣f∣<∞)蘊含收斂;逆命題不成立。
- Dirichlet 判別法:F(x)=∫axf 有界加上 g↘0,保證 ∫fg 收斂。
- Abel 判別法:∫f 收斂加上 g 單調有界,保證 ∫fg 收斂。
- ∫1∞xsinxdx 條件收斂(Dirichlet);∫1∞x2sinxdx 絕對收斂(比較);∫1∞xdx 與 ∫1∞x∣sinx∣dx 均發散。