无穷积分的性质与收敛判别法

积分的无穷级数积分是高等数学中非常重要的一个概念，它可以用于求解曲线下的面积、求解概率密度函数等问题。

而积分的无穷级数则是指一种特殊的级数，它由一列积分组成，而不是由一列数值组成。

这种无穷级数的研究对于理解积分的性质和应用非常有帮助。

在介绍积分的无穷级数之前，我们先需要回顾一下一般的无穷级数的定义：设有实数列${a_n}$，则称级数$\sum_{n=1}^{\infty}a_n$为收敛的，如果其部分和数列有极限，即$\lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^{n}a_i$存在。

否则，称级数发散。

积分的无穷级数是由一列积分组成的级数。

具体来说，设$f(x)$在区间$[a,b]$上可积（或可积于Riemann-Stieltjes意义下），则称级数$\sum_{n=1}^{\infty}\int_{a}^{b}f_n(x)dx$为收敛的，如果其部分和数列有极限，即$\lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^{n}\int_{a}^{b}f_i(x)dx$存在。

否则，称级数发散。

需要注意的是，积分的无穷级数并不是对于所有的可积函数都存在的。

事实上，对于某些函数族，它们的无穷级数可能会发散。

下面我们将介绍一些积分的无穷级数的性质和判别法。

1. 比较判别法比较判别法是判断级数的敛散性的一种常用方法。

类似地，我们可以将其推广到积分的无穷级数上。

比较判别法的基本思想是：将待定极限与已知级数或积分进行比较，如果待定极限的模长小于等于已知极限的模长，并且已知级数或积分收敛，则待定极限收敛。

例：比较级数$\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n+n\sin^2n}$和级数$\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}$的敛散性。

解：设$f_n(x)=\frac{1}{n+n\sin^2n}$，则有$\int_{0}^{\pi}f_n(x)dx=\frac{\pi}{2n(1+\frac{1}{2}\sin^2n)}\geq \frac{\pi}{4n}$又由于级数$\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}$是发散的，因此可以利用比较判别法得出，级数$\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n+n\sin^2n}$也是发散的。

§2 无穷积分的性质与收敛判别法教学目的与要求：掌握条件收敛与绝对收敛的概念，收敛的无穷积分具有的四个性质；掌握收敛的Cauchy 准则、比较判别法及其三个推论、阿贝耳判别法、狄利克雷判别法等。

教学重点，难点：无穷积分的收敛性比较判别法、柯西判别法、狄利克雷判别法等。

教学内容：本节介绍了无穷积分的三个性质和四种判别收敛的方法 一 无穷积分的性质由定义知道，无穷积分()dx x f a⎰+∞收敛与否，取决于函数F （u ）=()dx x f ua⎰在u →+∞时是否存在极限。

因此由函数极限的柯西准则导出无穷积分收敛的柯西准则。

定理11.1 无穷积分()dx x f a⎰+∞收敛的充要条件是：任给ε＞0，存在G ≥a ，只要u 1、u 2＞G ，便有()()()2121u u u aau f x dx f x dx f x dx ε-=<⎰⎰⎰。

证明: 由于()lim au f x dx +∞→+∞=⎰()dx x f ua⎰=(),lim u F u →+∞所以()dx x f a⎰+∞收敛⇔()lim u F u →+∞存在⇔0,G ε∀>∃≥a ，只要u 1、u 2＞G ，便有()()()221121|()()|.u u u u aaf x dx f x dx f x dx F u F u ε=-=-<⎰⎰⎰此外，还可根据函数极限的性质与定积分的性质，导出无穷积分的一些相应性质。

性质1 (线性性质) 若()dx x f a⎰+∞1与()dx x f a⎰+∞2都收敛，k 1、k 2为任意常数，则()()[]dx x f k x f k a⎰+∞+2211 也收敛，且()()[]dx x f k x f k a ⎰+∞+2211=()()dx x f k dx x f k aa⎰⎰+∞+∞+2211。

（1）证明: 记()()111lim u aau J f x dx f x dx +∞→+∞==⎰⎰, ()()222lim uaau J f x dx f x dx +∞→+∞==⎰⎰,则()()[]dx x f k x f k a⎰+∞+2211=()()1122lim uau k f x k f x dx →+∞+⎡⎤⎣⎦⎰=1122[()()]lim uuaau k f x dx k f x dx →+∞+⎰⎰=1122()()lim lim uuaau u k f x dx k f x dx →+∞→+∞+⎰⎰=1122k J k J +=1122()().aak f x dx k f x dx +∞+∞+⎰⎰□性质2 若f 在任何有限区间[a ，u]上可积，a ＜b ，则()dx x f a⎰+∞与()dx x f b⎰+∞同敛态（即同时收敛或同时发散），且有()()()dx x f dx x f dx x f bb aa⎰⎰⎰+∞+∞+=， （2）其中右边第一项是定积分。

§2 无穷积分的性质与收敛判别1．证明定理11.2及其推论1定理11.2（比较法则）设定义在[),+∞a 上的两个函数f 和g 都在任何区间],[u a 上可积，且满足),[),(|)(|+∞∈≤a x x g x f ，则当∫+∞adx x g )(收敛时，∫+∞adx x f |)(|必收敛（或者，当∫+∞adx x g )(收敛，所以a A >∃，当A u u >>12时，有∫<21)(u u dx x g ε由于)(|)(|x g x f ≤，),[+∞∈∀a x ，因此更有∫∫<≤2121)(|)(|u u u u dx x g dx x f ε，故∫+∞adx x f |)(|收敛。

推论1 若f 和g 都在任何],[u a 上可积，1)(>x g ，且c x g x f x =∞→)(|)(|lim，则有（I ）当+∞<<c 0时，∫+∞adx x f |)(|与dx x g a∫+∞)(同敛态；（ii ）当0=c 时，由∫+∞adx x g )(收敛可推知，dx x f a |)(|∫+∞出收敛；（iii ）当+∞=c 时，由∫+∞adx x g )(发散可推知∫+∞adx x f |)(|也发散。

证：（I ）因为+∞<=<+∞→c x g x f x )(|)(|lim0，所以)(0c <>∀εε存在a A >，使得当Ax >时，有εε+<<−<c x g x f c )(|)(|0，即 dx x g c x f x g g c )()(|)(|)(()(0εε+<<−< （*）从而，若∫+∞adx x g )(收敛，那么∫+∞+Adx x g c )()(ε收敛。

于是由∫∫+∞+=AaAdx x f dx x f dx x f |)(||)(||)(|收敛。

无穷积分的性质:⑴在区间上可积 , — Const , 则函数在区间上可积 ,且.⑵和在区间上可积 , 在区间上可积 , 且.⑶无穷积分收敛的Cauchy准则: ( 翻译)定理积分收敛.⑷绝对收敛与条件收敛: 定义概念.绝对收敛收敛, ( 证 ) 但反之不确. 绝对型积分与非绝对型积分无穷积分收敛判别法非负函数无穷积分判敛法: 对非负函数,有↗. 非负函数无穷积分敛散性记法.⑴比较判敛法: 设在区间上函数和非负且，又对任何>, 和在区间上可积 . 则< , < ；, . ( 证 )例1 判断积分的敛散性.比较原则的极限形式 : 设在区间上函数,. 则ⅰ> < < , 与共敛散 :ⅱ> , < 时, < ；ⅲ> , 时,. ( 证 )⑵Cauchy判敛法: ( 以为比较对象, 即取.以下> 0 )对任何>, , 且, < ；且, .Cauchy判敛法的极限形式 : 设是在任何有限区间上可积的正值函数.且. 则ⅰ> < ；ⅱ>. ( 证 )例2 讨论以下无穷积分的敛散性 :ⅰ> ⅱ> [1]P 324 E6⑶其他判敛法:Abel判敛法: 若在区间上可积 , 单调有界 , 则积分收敛.Dirichlet判敛法: 设在区间上有界，在上单调，且当时，. 则积分收敛.例6 讨论无穷积分与的敛散性. [1]P325 E7例7 证明下列无穷积分收敛 , 且为条件收敛 :, ,. [1]P326 E8例8 ( 乘积不可积的例 ) 设, . 由例6的结果,积分收敛 . 但积分却发散.( 参阅例6 )。

无穷积分的Abel 判别法一、引言在数学分析中，积分是一种重要的数学运算符号，用于计算曲线下的面积、体积以及求解微分方程等问题。

对于有界区间上的积分，我们可以通过定积分的方法进行求解。

然而，当积分的区间为无穷区间时，我们需要借助一些特殊的方法来进行计算。

本文将介绍一种被称为Abel 判别法的技巧，用于求解无穷积分。

二、无穷积分的定义和性质在介绍Abel 判别法之前，我们先来回顾一下无穷积分的定义和一些基本性质。

2.1 无穷积分的定义设函数f (x )在区间[a,+∞)上连续，如果对于任意的正数T ，积分∫f Ta (x )dx 都存在有限的极限，即lim T→+∞∫f Ta(x )dx =L存在，则称该极限L 为函数f (x )在区间[a,+∞)上的无穷积分，记作∫f +∞a(x )dx =L2.2 无穷积分的性质 无穷积分具有以下性质：1. 线性性质：设a,b 为常数，f (x )和g (x )为在区间[a,+∞)上连续的函数，则有∫(af (x )+bg (x ))+∞adx =a ∫f +∞a (x )dx +b ∫g +∞a(x )dx2. 比较性质：设在区间[a,+∞)上，函数f (x )和g (x )满足0≤f (x )≤g (x )，则有∫f +∞a(x )dx ≤∫g +∞a(x )dx3. 收敛性质：如果积分∫f +∞a(x )dx 存在有限的极限L ，则称该无穷积分收敛，否则称为发散。

三、Abel 判别法的原理Abel 判别法是一种判定无穷积分收敛性的方法，它基于级数收敛性的判别法。

下面我们将详细介绍Abel 判别法的原理。

3.1 Abel 判别法的表述设函数f (x )在区间[a,+∞)上连续，且在该区间上单调递减，则对于任意的正数T ，积分∫f Ta (x )dx 存在有限的极限L 的充分必要条件是级数∑f ∞n=a (n )收敛。

3.2 Abel 判别法的证明为了证明Abel 判别法的正确性，我们需要从级数的角度来考虑。

无穷级数与收敛性分析无穷级数是数学中重要的概念之一，它在微积分、数学分析以及应用数学中起着重要的作用。

无穷级数是指将一系列的项相加，并且这个序列是无限的。

在本文中，我们将探讨无穷级数的性质以及如何判断一个无穷级数的收敛性。

一、无穷级数的概念无穷级数可以表示为：S = a₁ + a₂ + a₃ + ...其中，a₁, a₂, a₃, ... 是序列的项。

如果存在一个数S，使得无穷级数中的部分和可以无限地接近S，那么我们称这个无穷级数是收敛的。

反之，如果部分和不趋近于一个有限的数，那么这个无穷级数是发散的。

二、收敛性判定的方法1. 通项的性质一个无穷级数的收敛性与其中的每一项密切相关。

首先，我们需要注意的是，无穷级数的第n项必须趋于零，即lim (n→∞) aₙ = 0。

这是一个必要条件，没有这个条件，我们无法得出无穷级数的收敛性。

2. 正项级数和负项级数对于正项级数，如果该级数的部分和有上界，则该级数是收敛的。

换句话说，如果存在一个数C，使得对所有的n，都有 a₁ + a₂ + ... + aₙ ≤ C，那么该级数是收敛的。

类似地，对于负项级数，如果该级数的部分和有下界，则该级数是收敛的。

换句话说，如果存在一个数C，使得对所有的n，都有 a₁ + a₂ + ... + aₙ ≥ C，那么该级数是收敛的。

3. 比较判别法比较判别法是判定无穷级数收敛性的一种重要方法。

假设我们有两个无穷级数：S = a₁ + a₂ + ... 和 T = b₁ + b₂ + ...。

如果对所有的n，都有 aₙ ≤ bₙ，且级数T是收敛的，则级数S也是收敛的。

反之，如果对所有的n，都有 aₙ ≥ bₙ，且级数T是发散的，则级数S也是发散的。

4. 比值判别法比值判别法是用来判定正项级数收敛性的常用方法。

对于正项级数S = a₁ + a₂ + ...，如果存在一个常数r（0<r<1），使得对足够大的n，有 aₙ₊₁ / aₙ ≤ r，则级数S是收敛的。