反常积分危险点:局部等价与比较判敛

判敛顺序

  1. 列出全部危险点:无界端点、区间内部奇点、无穷远。
  2. 将反常积分在各危险点处分开定义。
  3. 分别求局部主项。
  4. 与型积分或对数幂模型比较。
  5. 每个局部积分均收敛,原积分才收敛。

闭区间内部的连续部分一定可积,无需参与敛散判断。

两个型标尺

有限端点附近:

收敛

无穷远处:

收敛

例:有限端点与无穷远必须同时检查

判断下列积分中收敛的一项:

前两项在无穷远均为阶;第四项在附近为阶。第三项在附近为阶,在无穷远为阶,故只有第三项收敛。完整题目:1000 强化篇第8章 16。

局部换元只保留对应危险点

研究时,与要分别处理。

当时,,局部主项为,要求。

当时,令,则

局部主项为,要求。因此一般条件为

若题设另给,再写成、。

注:换元只是帮助理解

等价比较

若在某个危险点附近

且最终同号,则,可直接比较绝对收敛性。若被积函数变号或依赖抵消,应另行检查条件收敛,不能只比较绝对值主项,如本身收敛,但发散。

例:先展开复合函数,再读取幂次

判断

的收敛范围。由,得到

被积函数为阶,故收敛条件为。完整题目:1000 强化篇第8章 14。

与级数判敛的边界

反常积分的等价比较在非零主项确定后即可使用。级数比值判别若得到,结论仍不确定,需要继续读取下一阶修正。两种方法的“临界”含义不同。

注: 关键点其实不是“反常积分 vs 级数”,而是比较的东西不一样。反常积分这里说的是“等价比较”,而级数那里说的是“比值判别法”。这两个“比”完全不是一回事。

例如反常积分中,若 时 ,也就是 ,那么已经找到了一个明确的参照物 。因为 收敛,所以 也收敛。类似地,若 ,因为 发散,所以原积分也发散。这里极限等于 反而是非常强的信息: 与一个“已知敛散性”的函数具有相同主项。

但级数的比值判别法考察的是同一个数列前后两项的比值 。例如取 ,有 ,但调和级数 发散;再取 ,仍然有 ,但 却收敛。甚至所有 -级数 都满足 ,可是 收敛、 发散。因此“比值极限 ”只能说明:它不像几何级数那样存在明显的指数衰减或增长,至于多项式衰减到底有多快,信息还没读出来。

所以这时候需要“继续读取下一阶修正”。例如 时,不只看它趋于 ,而是展开成 。这里真正区分敛散的是 中的系数 : 对应收敛, 对应发散,这正是拉贝判别法背后的思想;而 又到了新的临界点,还得继续看更细的项。

所以你最好把这句话改成脑中的版本:“”是在把对象和一个已知标准对象比较,因此通常已经足够判敛;“”只是发现相邻两项越来越接近,并没有告诉我 究竟像 、 还是 ,所以完全判不了。

甚至级数本身如果也做“等价比较”,一样非常好用:若 ,则 收敛;若 ,则 发散。因此真正的区别是:等价比较的极限 是好消息;比值判别的极限 是失效边界。

TODO:后续补充拉贝判别法并链接过去

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