廣義積分的收斂判別法

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廣義積分中,你學到了如何將 af\int_a^\infty 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 af(x)dx\int_a^\infty f(x)\,dx 收斂若且唯若對任意 ε>0\varepsilon > 0,存在 AaA \ge a 使得對所有 B>AB > A

ABf(x)dx<ε.\left|\int_A^B f(x)\,dx\right| < \varepsilon.

證明提要。 定義 F(t)=atf(x)dxF(t) = \int_a^t f(x)\,dx。積分收斂若且唯若 limtF(t)\lim_{t \to \infty} F(t) 存在,若且唯若 FF 滿足極限收斂的柯西條件:對充分大的 AABBF(B)F(A)<ε|F(B) - F(A)| < \varepsilon。而 F(B)F(A)=ABfF(B) - F(A) = \int_A^B f,故這恰好是所述條件。\square

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

ff 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 xax \ge a 均有 0f(x)g(x)0 \le f(x) \le g(x)

  • ag(x)dx\int_a^\infty g(x)\,dx 收斂,則 af(x)dx\int_a^\infty f(x)\,dx 收斂且 afag\int_a^\infty f \le \int_a^\infty g
  • af(x)dx\int_a^\infty f(x)\,dx 發散,則 ag(x)dx\int_a^\infty g(x)\,dx 發散。

證明。f0f \ge 0,函數 F(t)=atfF(t) = \int_a^t f 是遞增的。若 g\int g 收斂,則對所有 ttF(t)atgag<F(t) \le \int_a^t g \le \int_a^\infty g < \infty。有界的遞增函數有有限的極限,故 f\int f 收斂。發散方向由逆否命題得到。\square

範例。x1x \ge 1,不等式 ex2exe^{-x^2} \le e^{-x} 成立(因 x2xx^2 \ge x)。由於 1exdx=e1\int_1^\infty e^{-x}\,dx = e^{-1} 收斂,比較判別法給出 1ex2dx<\int_1^\infty e^{-x^2}\,dx < \infty

極限比較判別法

有時無法直接用一個更簡單的函數界定 ff,但可以比較它們的漸近大小。

定理(極限比較判別法)。 設對 xax \ge a 均有 f(x),g(x)>0f(x), g(x) > 0,且

limxf(x)g(x)=L,0<L<.\lim_{x \to \infty} \frac{f(x)}{g(x)} = L, \quad 0 < L < \infty.

af\int_a^\infty f 收斂若且唯若 ag\int_a^\infty g 收斂。

證明。f/gLf/g \to L,存在 AA 使得對 xAx \ge A

L2f(x)g(x)2L,\frac{L}{2} \le \frac{f(x)}{g(x)} \le 2L,

L2g(x)f(x)2Lg(x)\frac{L}{2}\,g(x) \le f(x) \le 2L\,g(x)。在 [A,)[A, \infty) 上應用普通比較判別法即得等價性。\square

範例。 比較 f(x)=1x2+1f(x) = \frac{1}{x^2 + 1}g(x)=x2g(x) = x^{-2}。則 f(x)/g(x)=x2/(x2+1)1f(x)/g(x) = x^2/(x^2+1) \to 1。由於 1x2dx\int_1^\infty x^{-2}\,dx 收斂(p=2>1p = 2 > 1pp 積分),積分 1dxx2+1\int_1^\infty \frac{dx}{x^2+1} 也收斂。

邊界情形 L=0L = 0L=L = \inftyL=0L = 0,則 f=o(g)f = o(g)g\int g 收斂蘊含 f\int f 收斂,但逆命題未必成立。若 L=L = \infty,則角色互換。

絕對收斂與條件收斂

定義。af(x)dx\int_a^\infty |f(x)|\,dx 收斂,則稱積分 af(x)dx\int_a^\infty f(x)\,dx 絕對收斂(absolutely convergent)。若 af\int_a^\infty f 收斂但 af\int_a^\infty |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:

ABfABf.\left|\int_A^B f\right| \le \int_A^B |f|.

f\int |f| 收斂,則對充分大的 AAABf\int_A^B |f| 可以任意小,同樣的界限適用於 ABf|\int_A^B f|\square

逆命題不成立。積分 1sinxxdx\int_1^\infty \frac{\sin x}{x}\,dx 是條件收斂的:它收斂(見下文),但 1sinxxdx=\int_1^\infty \frac{|\sin x|}{x}\,dx = \infty(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:

  1. F(x)axf(t)dtF(x) \coloneqq \int_a^x f(t)\,dt 有界:存在 MM 使得對所有 xax \ge a 均有 F(x)M|F(x)| \le M
  2. gg 單調遞減趨於 00g(x)0g(x) \to 0xx \to \infty)。

af(x)g(x)dx\int_a^\infty f(x)\,g(x)\,dx 收斂。

證明。[A,B][A, B] 上應用 Bonnet 定理(積分第二中值定理):存在 ξ[A,B]\xi \in [A, B] 使得

ABf(x)g(x)dx=g(A)Aξf(x)dx+g(B)ξBf(x)dx.\int_A^B f(x)\,g(x)\,dx = g(A)\int_A^\xi f(x)\,dx + g(B)\int_\xi^B f(x)\,dx.

Aξf=F(ξ)F(A)\int_A^\xi f = F(\xi) - F(A),得 Aξf2M|\int_A^\xi f| \le 2M,類似地 ξBf2M|\int_\xi^B f| \le 2M。因此

ABf(x)g(x)dx2Mg(A)+2Mg(B)4Mg(A).\left|\int_A^B f(x)\,g(x)\,dx\right| \le 2M\,g(A) + 2M\,g(B) \le 4M\,g(A).

由於 g(A)0g(A) \to 0AA \to \infty),柯西判準成立。\square

Abel 判別法

定理(Abel 判別法)。 設:

  1. af(x)dx\int_a^\infty f(x)\,dx 收斂
  2. gg[a,)[a, \infty)單調且有界

af(x)g(x)dx\int_a^\infty f(x)\,g(x)\,dx 收斂。

證明。gg 單調有界,其有有限極限 L=limxg(x)L = \lim_{x \to \infty} g(x)。寫成 g=(gL)+Lg = (g - L) + L。函數 gLg - L 單調趨於 00LL 為常數。因此

afg=Laf+af(gL).\int_a^\infty f g = L \int_a^\infty f + \int_a^\infty f\,(g - L).

第一個積分由假設收斂。第二個積分由 Dirichlet 判別法對 ffgLg - L 收斂(F(x)=axfF(x) = \int_a^x f 有界,因為 af\int_a^\infty f 收斂,由柯西判準得)。\square

計算範例

1sinxxdx\int_1^\infty \frac{\sin x}{x}\,dx 收斂(Dirichlet 判別法)

f(x)=sinxf(x) = \sin xg(x)=1/xg(x) = 1/x。原函數 F(x)=cosx+cos1F(x) = -\cos x + \cos 1 對所有 xx 滿足 F(x)2|F(x)| \le 2,且 g(x)=1/x0g(x) = 1/x \searrow 0。由 Dirichlet 判別法,1sinxxdx\int_1^\infty \frac{\sin x}{x}\,dx 收斂。

1sinxx2dx\int_1^\infty \frac{\sin x}{x^2}\,dx 絕對收斂

對所有 xxsinxx21x2\left|\frac{\sin x}{x^2}\right| \le \frac{1}{x^2}。由於 1x2dx\int_1^\infty x^{-2}\,dx 收斂(p=2>1p = 2 > 1),比較判別法給出絕對收斂。

1dxx\int_1^\infty \frac{dx}{x} 發散

這是廣義積分中第一類 pp 積分的 p=1p = 1 情形。由於 lnb\ln b \to \infty,積分發散。

1sinxxdx\int_1^\infty \frac{|\sin x|}{x}\,dx 發散

在每個區間 [kπ,(k+1)π][k\pi, (k+1)\pi] 上,sinx0|\sin x| \ge 0kπ(k+1)πsinxdx=2\int_{k\pi}^{(k+1)\pi} |\sin x|\,dx = 2。由於在該區間上 1x1(k+1)π\frac{1}{x} \ge \frac{1}{(k+1)\pi}

kπ(k+1)πsinxxdx2(k+1)π.\int_{k\pi}^{(k+1)\pi} \frac{|\sin x|}{x}\,dx \ge \frac{2}{(k+1)\pi}.

右端是發散級數(1/(k+1)\sum 1/(k+1) 發散)的通項,故由比較判別法,積分發散。這確認了 1sinxxdx\int_1^\infty \frac{\sin x}{x}\,dx 是條件收斂但非絕對收斂的。

摘要

  • 柯西判準af\int_a^\infty f 收斂若且唯若對充分大的 AAABf|\int_A^B f| 對所有 B>AB > A 均可任意小。
  • 比較判別法:對 0fg0 \le f \le gg\int g 收斂蘊含 f\int f 收斂;f\int f 發散蘊含 g\int g 發散。
  • 極限比較判別法:若 f,g>0f, g > 0f/gL(0,)f/g \to L \in (0, \infty),則 f\int fg\int g 同時收斂或同時發散。
  • 絕對收斂f<\int |f| < \infty)蘊含收斂;逆命題不成立。
  • Dirichlet 判別法F(x)=axfF(x) = \int_a^x f 有界加上 g0g \searrow 0,保證 fg\int fg 收斂。
  • Abel 判別法f\int f 收斂加上 gg 單調有界,保證 fg\int fg 收斂。
  • 1sinxxdx\int_1^\infty \frac{\sin x}{x}\,dx 條件收斂(Dirichlet);1sinxx2dx\int_1^\infty \frac{\sin x}{x^2}\,dx 絕對收斂(比較);1dxx\int_1^\infty \frac{dx}{x}1sinxxdx\int_1^\infty \frac{|\sin x|}{x}\,dx 均發散。