# Improper Integrals (瑕積分)Case1: 積分範圍 無限,但 積分函數 有限 Case2: 積分範圍 有限,但 積分函數 無限 Case3: 積分範圍 無限,且 積分函數 無限 # Case 1If f f f is continuous on [ a , ∞ ) [a, \infty) [ a , ∞ ) ,then ∫ a ∞ f ( x ) d x = lim b → ∞ ∫ a b f ( x ) d x \int^{\infty}_a f(x) dx = \lim_{b \to \infty} \int^b_a f(x)dx ∫ a ∞ f ( x ) d x = lim b → ∞ ∫ a b f ( x ) d x If f f f is continuous on ( − ∞ , b ] (-\infty, b] ( − ∞ , b ] ,then ∫ − ∞ b f ( x ) d x = lim a → − ∞ ∫ a b f ( x ) d x \int^{b}_{-\infty} f(x) dx = \lim_{a \to -\infty} \int^b_a f(x)dx ∫ − ∞ b f ( x ) d x = lim a → − ∞ ∫ a b f ( x ) d x If f f f is continuous on ( − ∞ , ∞ ) (-\infty, \infty) ( − ∞ , ∞ ) ,then ∫ − ∞ ∞ f ( x ) d x = ∫ − ∞ a f ( x ) d x + ∫ a ∞ f ( x ) d x = lim t → ∞ ∫ a t f ( x ) d x + lim t → − ∞ ∫ t a f ( x ) d x \int^{\infty}_{-\infty} f(x) dx = \int^{a}_{-\infty} f(x) dx + \int^{\infty}_{a} f(x) dx = \lim_{t \to \infty} \int^t_a f(x) dx + \lim_{t \to -\infty} \int^a_t f(x) dx ∫ − ∞ ∞ f ( x ) d x = ∫ − ∞ a f ( x ) d x + ∫ a ∞ f ( x ) d x = lim t → ∞ ∫ a t f ( x ) d x + lim t → − ∞ ∫ t a f ( x ) d x ∫ 0 ∞ 1 x 2 + 1 d x \int^{\infty}_0 \frac{1}{x^2+1}dx ∫ 0 ∞ x 2 + 1 1 d x ∫ − ∞ − 2 1 x d x \int^{-2}_{-\infty} \frac{1}{x}dx ∫ − ∞ − 2 x 1 d x ∫ 0 ∞ 1 x 2 + 1 d x = lim b → ∞ ∫ a b 1 x 2 + 1 d x = lim b → ∞ { t a n − 1 x ∣ x = 0 x = b } = lim b → ∞ { t a n − 1 b − t a n − 1 0 } = π 2 − 0 = π 2 \int^{\infty}_0 \frac{1}{x^2+1}dx = \lim_{b\to \infty} \int^b_a \frac{1}{x^2+1}dx = \lim_{b \to \infty} \{ tan^{-1}x|^{x=b}_{x=0} \} = \lim_{b \to \infty} \{ tan^{-1}b - tan^{-1}0 \} = \frac{\pi}{2} - 0 = \frac{\pi}{2} ∫ 0 ∞ x 2 + 1 1 d x = lim b → ∞ ∫ a b x 2 + 1 1 d x = lim b → ∞ { t a n − 1 x ∣ x = 0 x = b } = lim b → ∞ { t a n − 1 b − t a n − 1 0 } = 2 π − 0 = 2 π .
⇒ ∫ 0 ∞ 1 x 2 + 1 d x \Rightarrow \int^{\infty}_0 \frac{1}{x^2+1}dx ⇒ ∫ 0 ∞ x 2 + 1 1 d x converge to π 2 \frac{\pi}{2} 2 π .
∫ − ∞ − 2 1 x d x = lim a → − ∞ 1 x d x = lim a → − ∞ { l n ∣ x ∣ ∣ a x = − 2 } = lim a → − ∞ { l n 2 − l n ∣ a ∣ } = − ∞ \int^{-2}_{-\infty} \frac{1}{x} dx = \lim_{a\to -\infty}\frac{1}{x} dx = \lim_{a \to -\infty} \{ ln|x| |^{x = -2}_{a} \} = \lim_{a \to -\infty} \{ ln2 - ln|a| \} = -\infty ∫ − ∞ − 2 x 1 d x = lim a → − ∞ x 1 d x = lim a → − ∞ { l n ∣ x ∣ ∣ a x = − 2 } = lim a → − ∞ { l n 2 − l n ∣ a ∣ } = − ∞ ⇒ ∫ − ∞ − 2 1 x d x \Rightarrow \int^{-2}_{-\infty} \frac{1}{x} dx ⇒ ∫ − ∞ − 2 x 1 d x diverges.
# Case 2If f f f is continuous on [ a , b ) [a,b) [ a , b ) and lim t → b − f ( x ) = ∞ / − ∞ \lim_{t \to b^-} f(x) = \infty / -\infty lim t → b − f ( x ) = ∞ / − ∞ ,then ∫ a b f ( x ) d x = lim t → b − ∫ a t f ( x ) d x \int^b_af(x)dx = \lim_{t \to b^-} \int^t_a f(x)dx ∫ a b f ( x ) d x = lim t → b − ∫ a t f ( x ) d x . If f f f is continuous on ( a , b ] (a,b] ( a , b ] and lim t → a + f ( x ) = ∞ / − ∞ \lim_{t \to a^+} f(x) = \infty / -\infty lim t → a + f ( x ) = ∞ / − ∞ ,then ∫ a b f ( x ) d x = lim t → a + ∫ t b f ( x ) d x \int^b_af(x)dx = \lim_{t \to a^+} \int^b_t f(x)dx ∫ a b f ( x ) d x = lim t → a + ∫ t b f ( x ) d x . If f f f is continuous on ( a , b ) (a,b) ( a , b ) and both lim t → b − f ( x ) \lim_{t \to b^-} f(x) lim t → b − f ( x ) ,lim t → a + f ( x ) \lim_{t \to a^+} f(x) lim t → a + f ( x ) are infinite,then ∫ a b f ( x ) d x = ∫ a c f ( x ) d x + ∫ c b f ( x ) d x \int^b_af(x)dx = \int^c_af(x)dx + \int^b_cf(x)dx ∫ a b f ( x ) d x = ∫ a c f ( x ) d x + ∫ c b f ( x ) d x . ∫ 0 1 1 x 3 d x \int^1_0 \frac{1}{\sqrt[3]{x}}dx ∫ 0 1 3 x 1 d x ∫ − 1 2 1 x 3 d x \int^2_{-1} \frac{1}{x^3}dx ∫ − 1 2 x 3 1 d x ∫ 0 1 1 x 3 d x = ∫ 0 1 x − 1 3 d x = lim a → 0 + ∫ a 1 x − 1 3 d x = lim a → 0 + 3 2 x 2 3 ∣ x = a x = 1 = lim a → 0 + 3 2 − 3 2 a 2 3 = 3 2 \int^1_0 \frac{1}{\sqrt[3]{x}}dx = \int^1_0 x^{-\frac{1}{3}} dx = \lim_{a \to 0^+} \int^1_a x^{-\frac{1}{3}}dx = \lim_{a \to 0^+} \frac{3}{2} x^{\frac{2}{3}} |^{x=1}_{x=a} = \lim_{a \to 0^+} {\frac{3}{2} - \frac{3}{2}a^{\frac{2}{3}}} = \frac{3}{2} ∫ 0 1 3 x 1 d x = ∫ 0 1 x − 3 1 d x = lim a → 0 + ∫ a 1 x − 3 1 d x = lim a → 0 + 2 3 x 3 2 ∣ x = a x = 1 = lim a → 0 + 2 3 − 2 3 a 3 2 = 2 3 .
⇒ ∫ 0 1 1 x 3 d x \Rightarrow \int^1_0 \frac{1}{\sqrt[3]{x}}dx ⇒ ∫ 0 1 3 x 1 d x converges to 3 2 \frac{3}{2} 2 3 .
∫ − 1 2 1 x 3 d x = ∫ − 1 0 1 x 3 d x + ∫ 0 2 1 x 3 d x = lim b → 0 − ∫ − 1 b x − 3 d x + lim a → 0 + ∫ a 2 x − 3 d x = lim b → 0 − − 1 2 x − 2 ∣ x = − 1 x = b + lim a → 0 + − 1 2 x − 2 ∣ x = a x = 2 = lim b → 0 − ( − 1 2 ⋅ 1 b 2 + 1 2 ) + lim a → 0 + ( − 1 8 + 1 2 ⋅ 1 a 2 ) \int^2_{-1} \frac{1}{x^3}dx = \int^0_{-1} \frac{1}{x^3} dx + \int^2_0 \frac{1}{x^3} dx = \lim_{b \to 0^-} \int^b_{-1} x^{-3} dx + \lim_{a \to 0^+} \int^2_a x^{-3}dx = \lim_{b \to 0^-} \frac{-1}{2}x^{-2} |^{x=b}_{x=-1} + \lim_{a \to 0^+} \frac{-1}{2}x^{-2} |^{x=2}_{x=a} = \lim_{b \to 0^-} (-\frac{1}{2} \cdot \frac{1}{b^2} + \frac{1}{2}) + \lim_{a \to 0^+} (-\frac{1}{8} + \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{a^2}) ∫ − 1 2 x 3 1 d x = ∫ − 1 0 x 3 1 d x + ∫ 0 2 x 3 1 d x = lim b → 0 − ∫ − 1 b x − 3 d x + lim a → 0 + ∫ a 2 x − 3 d x = lim b → 0 − 2 − 1 x − 2 ∣ x = − 1 x = b + lim a → 0 + 2 − 1 x − 2 ∣ x = a x = 2 = lim b → 0 − ( − 2 1 ⋅ b 2 1 + 2 1 ) + lim a → 0 + ( − 8 1 + 2 1 ⋅ a 2 1 )
⇒ ∫ − 1 2 1 x 3 d x \Rightarrow \int^2_{-1} \frac{1}{x^3}dx ⇒ ∫ − 1 2 x 3 1 d x diverges.(∫ − 1 2 1 x 3 d x \int^2_{-1} \frac{1}{x^3}dx ∫ − 1 2 x 3 1 d x does not exist.)
# Case 3# Example∫ 0 ∞ 1 x ( x + 1 ) d x \int^{\infty}_0 \frac{1}{x(x+1)}dx ∫ 0 ∞ x ( x + 1 ) 1 d x
solution ∫ 0 ∞ 1 x ( x + 1 ) d x = ∫ 0 1 1 x ( x + 1 ) d x + ∫ 1 ∞ 1 x ( x + 1 ) d x = lim a → 0 + ∫ a 1 1 x ( x + 1 ) d x + lim b → ∞ ∫ 1 b 1 x ( x + 1 ) d x = lim a → 0 + l n ∣ x x + 1 ∣ ∣ a 1 + lim b → ∞ l n ∣ x x + 1 ∣ ∣ 1 b = lim a → 0 + ( l n 1 2 − l n ∣ a a + 1 ∣ ) + lim b → ∞ ( l n ∣ b b + 1 ∣ − l n 1 2 ) = − lim a → 0 + l n ∣ a a + 1 ∣ + l n 1 \int^{\infty}_0 \frac{1}{x(x+1)}dx= \int^1_0\frac{1}{x(x+1)}dx + \int^{\infty}_1 \frac{1}{x(x+1)}dx = \lim_{a \to 0^+}\int^1_a \frac{1}{x(x+1)}dx + \lim_{b \to \infty}\int^b_1 \frac{1}{x(x+1)}dx \\= \lim_{a \to 0^+}ln|\frac{x}{x+1}||^1_a + \lim_{b \to \infty}ln|\frac{x}{x+1}||^b_1 = \lim_{a \to 0^+}(ln\frac{1}{2} - ln|\frac{a}{a+1}|) + \lim_{b \to \infty}(ln|\frac{b}{b+1}| - ln\frac{1}{2}) \\= -\lim_{a \to 0^+}ln|\frac{a}{a+1}| + ln1 ∫ 0 ∞ x ( x + 1 ) 1 d x = ∫ 0 1 x ( x + 1 ) 1 d x + ∫ 1 ∞ x ( x + 1 ) 1 d x = lim a → 0 + ∫ a 1 x ( x + 1 ) 1 d x + lim b → ∞ ∫ 1 b x ( x + 1 ) 1 d x = lim a → 0 + l n ∣ x + 1 x ∣ ∣ a 1 + lim b → ∞ l n ∣ x + 1 x ∣ ∣ 1 b = lim a → 0 + ( l n 2 1 − l n ∣ a + 1 a ∣ ) + lim b → ∞ ( l n ∣ b + 1 b ∣ − l n 2 1 ) = − lim a → 0 + l n ∣ a + 1 a ∣ + l n 1
⇒ ∫ 0 ∞ 1 x ( x + 1 ) d x \Rightarrow \int^{\infty}_0\frac{1}{x(x+1)}dx ⇒ ∫ 0 ∞ x ( x + 1 ) 1 d x diverges.
# Comparative method若無法計算瑕積分的值,可以看出瑕積分的收斂 或發散
Disuss the improper integral ∫ 1 ∞ 1 x p d x \int^{\infty}_1 \frac{1}{x^p}dx ∫ 1 ∞ x p 1 d x .
If p ≠ 1 p \neq 1 p = 1 ,∫ 1 b 1 x p d x = 1 − p + 1 x − p + 1 ∣ x = 1 x = b = 1 − p + 1 ( 1 b p − 1 − 1 ) \int^b_1 \frac{1}{x^p}dx = \frac{1}{-p+1}x^{-p+1}|^{x=b}_{x=1} = \frac{1}{-p+1}(\frac{1}{b^{p-1}}-1) ∫ 1 b x p 1 d x = − p + 1 1 x − p + 1 ∣ x = 1 x = b = − p + 1 1 ( b p − 1 1 − 1 ) .當 p > 1 p>1 p > 1 ,lim b → ∞ ( 1 b p − 1 − 1 ) = − 1 \lim_{b \to \infty}(\frac{1}{b^{p-1}}-1) = -1 lim b → ∞ ( b p − 1 1 − 1 ) = − 1 . 當 p < 1 p<1 p < 1 ,lim b → ∞ ( 1 b p − 1 − 1 ) = ∞ \lim_{b \to \infty}(\frac{1}{b^{p-1}}-1) = \infty lim b → ∞ ( b p − 1 1 − 1 ) = ∞ .∴ ∫ 1 ∞ 1 x p d x \therefore \int^{\infty}_1 \frac{1}{x^p}dx ∴ ∫ 1 ∞ x p 1 d x is convergent if p > 1 p > 1 p > 1 .∴ ∫ 1 ∞ 1 x p d x \therefore \int^{\infty}_1 \frac{1}{x^p}dx ∴ ∫ 1 ∞ x p 1 d x is divergent if p < 1 p < 1 p < 1 . If p = 1 p =1 p = 1 ,then ∫ 1 ∞ 1 x d x = lim b → ∞ ∫ 1 b 1 x d x = lim b → ∞ ( l n ∣ b ∣ − l n ∣ 1 ∣ ) = ∞ \int^{\infty}_1 \frac{1}{x}dx = \lim_{b \to \infty}\int^{b}_1 \frac{1}{x}dx = \lim_{b \to \infty}(ln|b| - ln|1|) = \infty ∫ 1 ∞ x 1 d x = lim b → ∞ ∫ 1 b x 1 d x = lim b → ∞ ( l n ∣ b ∣ − l n ∣ 1 ∣ ) = ∞ ⇒ ∫ 1 b 1 x d x \Rightarrow \int^{b}_1\frac{1}{x}dx ⇒ ∫ 1 b x 1 d x is divergent. 結果很重要 ∫ 1 ∞ 1 x p d x \int^{\infty}_1 \frac{1}{x^p}dx ∫ 1 ∞ x p 1 d x is convergent if p > 1 p > 1 p > 1 .∫ 1 ∞ 1 x p d x \int^{\infty}_1 \frac{1}{x^p}dx ∫ 1 ∞ x p 1 d x is divergent if p < 1 p < 1 p < 1 .∫ 1 ∞ 1 x p d x \int^{\infty}_1 \frac{1}{x^p}dx ∫ 1 ∞ x p 1 d x is divergent if p = 1 p = 1 p = 1 .∫ 2 ∞ 1 x − 1 d x \int^{\infty}_2 \frac{1}{\sqrt{x-1}}dx ∫ 2 ∞ x − 1 1 d x 收斂 or 發散?∫ 1 ∞ 1 x 2 + 3 d x \int^{\infty}_1 \frac{1}{\sqrt{x^2+3}}dx ∫ 1 ∞ x 2 + 3 1 d x 收斂 or 發散?Show that ∫ 1 ∞ e − x d x \int^{\infty}_1 e^{-x}dx ∫ 1 ∞ e − x d x is convergent. ∵ 0 < 1 x < 1 x − 1 \because 0 < \frac{1}{\sqrt{x}} < \frac{1}{\sqrt{x-1}} ∵ 0 < x 1 < x − 1 1 on [ 2 , ∞ ) [2,\infty) [ 2 , ∞ ) .∴ ∫ 2 ∞ 1 x d x < ∫ 2 ∞ 1 x − 1 d x \therefore \int^{\infty}_2 \frac{1}{\sqrt{x}}dx < \int^{\infty}_2 \frac{1}{\sqrt{x-1}}dx ∴ ∫ 2 ∞ x 1 d x < ∫ 2 ∞ x − 1 1 d x ⇒ ∫ 2 ∞ 1 x − 1 d x \Rightarrow \int^{\infty}_2 \frac{1}{\sqrt{x-1}}dx ⇒ ∫ 2 ∞ x − 1 1 d x diverges since ∫ 2 ∞ 1 x d x \int^{\infty}_2 \frac{1}{\sqrt{x}}dx ∫ 2 ∞ x 1 d x diverges.
∵ 0 < 1 x 2 + 3 < 1 x 2 \because 0 < \frac{1}{x^2+3} < \frac{1}{x^2} ∵ 0 < x 2 + 3 1 < x 2 1 on [ 1 , ∞ ) [1,\infty) [ 1 , ∞ ) .∴ ∫ 1 ∞ 1 x 2 + 3 d x ≤ ∫ 1 ∞ 1 x 2 d x \therefore \int^{\infty}_1 \frac{1}{x^2+3}dx \le \int^{\infty}_1 \frac{1}{x^2}dx ∴ ∫ 1 ∞ x 2 + 3 1 d x ≤ ∫ 1 ∞ x 2 1 d x ⇒ ∫ 1 ∞ 1 x 2 + 3 d x \Rightarrow \int^{\infty}_1 \frac{1}{x^2+3}dx ⇒ ∫ 1 ∞ x 2 + 3 1 d x converges since ∫ 1 ∞ 1 x 2 d x \int^{\infty}_1 \frac{1}{x^2}dx ∫ 1 ∞ x 2 1 d x converges.
∫ 0 ∞ e − x 2 d x = ∫ 0 1 e − x 2 d x + ∫ 1 ∞ e − x 2 d x \int^{\infty}_0 e^{-x^2} dx =\int^1_0 e^{-x^2} dx + \int^{\infty}_1 e^{-x^2} dx ∫ 0 ∞ e − x 2 d x = ∫ 0 1 e − x 2 d x + ∫ 1 ∞ e − x 2 d x ∵ e − x ≥ e − x 2 ≥ 0 \because e^{-x} \ge e^{-x^2} \ge 0 ∵ e − x ≥ e − x 2 ≥ 0 on [ 1 , ∞ ) [1,\infty) [ 1 , ∞ ) .⇒ ∫ 1 b e − x 2 d x ≤ ∫ 1 b e − x d x = 1 e − 1 e b \Rightarrow \int^{b}_1 e^{-x^2} dx \le \int^{b}_1 e^{-x} dx = \frac{1}{e} - \frac{1}{e^b} ⇒ ∫ 1 b e − x 2 d x ≤ ∫ 1 b e − x d x = e 1 − e b 1 .∵ lim b → ∞ ∫ 1 b e − x d x = 1 e ∴ ∫ 1 ∞ e − x d x \because \lim_{b \to \infty} \int^b_1 e^{-x}dx = \frac{1}{e} \therefore \int^{\infty}_1 e^{-x}dx ∵ lim b → ∞ ∫ 1 b e − x d x = e 1 ∴ ∫ 1 ∞ e − x d x converges.∵ ∫ 0 1 e − x 2 d x \because \int^1_0 e^{-x^2}dx ∵ ∫ 0 1 e − x 2 d x is a definite integral and ∫ 1 ∞ e − x d x \int^{\infty}_1 e^{-x}dx ∫ 1 ∞ e − x d x is convergent.∴ ∫ 0 ∞ e − x d x \therefore \int^{\infty}_0 e^{-x}dx ∴ ∫ 0 ∞ e − x d x is convergent.
# Reference蘇承芳老師 - 微積分甲(一)109 學年度 - Calculus (I) Academic Year 109