无穷积分的性质及收敛判别
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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。