Метод решения несобственного интеграла с бесконечным нижним пределом

Второй раздел статьи предназначен для тех, кто хорошо разобрался с урокомНесобственные интегралы. Примеры решения, или, по крайне мере, понял бОльшую его часть. Речь пойдет о несобственных интегралах первого рода с бесконечным нижним пределом: .

Пример 7

Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.

Чем отличается данный интеграл от «обычного» несобственного интеграла с бесконечным верхним пределом? По технике решения практически ничем. Так же нужно найти первообразную (неопределенный интеграл), так же нужно использовать предел при вычислении интеграла. Отличие состоит в том, что необходимо устремить нижний предел интегрирования к «минус бесконечности»: .

Из вышесказанного следует очевидная формула для вычисления такого несобственного интеграла:

В данном примере, подынтегральная функция непрерывна на и:
, то есть, несобственный интеграл расходится.

Вот тут, главное, быть аккуратным в знаках, и не забывать, что . Нужно внимательно разобраться, что куда стремится.

Пример 8

Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.

Это пример для самостоятельного решения. Полное решение и ответ в конце урока.

Метод решения несобственного интеграла
с бесконечными пределами интегрирования

Очень интересный случай. Несобственный интеграл первого рода с бесконечными пределами интегрирования имеет следующий вид:

Как решить интеграл с бесконечными пределами? Данный интеграл нужно представить в виде суммы двух несобственных интегралов:

Примечание: вместо ноля может быть любое число, но ноль обычно удобнее всего.

Если оба интеграла правой части сходятся, то сходится и интеграл .
Если хотя бы один из интегралов правой части расходится, то расходится и интеграл

Пример 9

Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.

Я специально подобрал примитивный пример, чтобы проиллюстрировать другой важный момент применения метода.

Подынтегральная функция непрерывна на всей числовой прямой.
Согласно правилу, интеграл следует представить в виде суммы интегралов:

Интеграл будет сходиться, если будут сходиться оба интеграла правой части.
Проверяем:

– сходится.

– сходится.

Оба интеграла сходятся, значит, сходится и весь интеграл:

Теперь обратим внимание на подынтегральную функцию. Она является чётной.
В несобственных интегралах с бесконечными пределами (а значит, симметричными интервалами интегрирования) чётностью пользоваться МОЖНО.Аналогично определенному интегралу, интервал интегрирования можно споловинить, а результат – удвоить.

То есть, решение допустимо записать короче:

Почему такое возможно? График подынтегральной чётной функции симметричен относительно оси . Следовательно, если половина площади конечна (интеграл сходится) – то симметричная половина площади тоже конечна. Если половина площади бесконечна (интеграл расходится), следовательно, симметричная половина тоже будет расходиться.

Пример 10

Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.

Подынтегральная функция непрерывна на всей числовой прямой. Согласно правилу, интеграл нужно представить в виде суммы двух интегралов:

Проверяем сходимость интегралов правой части:

Первый интеграл расходится. Знак «минус» говорит о том, что бесконечная криволинейная трапеция расположена ниже оси абсцисс.

Не нужно проверять сходимость второго интеграла правой части, поскольку для того, чтобы интеграл сходился, необходимо чтобы сходились оба интеграла правой части.

Ответ: несобственный интеграл расходится

А сейчас очень важный момент: подынтегральная функция является нечётной. В несобственных интегралах с бесконечными пределами (а значит, симметричными интервалами интегрирования) нечётностью пользоваться НЕ СЛЕДУЕТ!!!

В этом состоит отличие от определенного интеграла. Там всегда можно смело записать: , а здесь так поступать – не следует. Почему? Потому что в ряде случаев, как, например, в рассмотренном примере, получится нонсенс. Если считать, что , то интеграл будет сходящимся (поскольку получено конечное число), но в то же время его часть: – расходится (как мы только что показали в решении).

Тонкость же состоит в том, что несобственный интеграл от нечетной функции , в принципе, может равняться нулю, но нельзя сразу записывать, что . Всегда представляем интеграл в виде двух интегралов и выполняем проверку на сходимость по стандартному алгоритму.

Как раз этой тонкости посвящен следующий пример для самостоятельного решения:

Пример 11

Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.

Полное решение и ответ в конце урока.

Метод решения несобственного интеграла второго рода
с точками разрыва на обоих концах отрезка

Заключительные пункты этой статьи предназначены для читателей, которые хорошо разобрались с несобственными интегралами второго рода на уроке Несобственные интегралы. Примеры решений. Рассмотрим другие разновидности несобственных интегралов второго рода. Ничего сложного!

Многие выкладки предыдущего параграфа будет справедливы и сейчас.

Сразу конкретная задача:

Пример 12

Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.

Подынтегральная функция терпит бесконечные разрывы в обоих концах отрезка интегрирования. Изобразим подынтегральную функцию на чертёже:

Геометрически данный несобственный интеграл представляет собой площадь бесконечной криволинейной трапеции, которая не ограничена сверху.

Методика решения практически такая же, как и в предыдущем параграфе. Представим несобственный интеграл в виде суммы двух несобственных интегралов:

Если оба интеграла правой части сходятся, то сходится и весь интеграл.
Если хотя бы один из интегралов правой части расходится, то расходится и весь интеграл

А уж интегралы правой части рассматривались во втором разделе урока Несобственные интегралы. Примеры решений.

Но, вместо этого замечаем, что подынтегральная функция является чётной. Чётность использовать МОЖНО. В этом легко убедиться и по чертежу. Таким образом, интеграл целесообразно споловинить, а результат удвоить. Решаем наиболее рациональным способом:

Подынтегральная функция терпит бесконечные разрывы в точках . Данная функция является чётной, а интервал интегрирования симметричен относительно нуля.

Ответ: , то есть, несобственный интеграл сходится

Пример 13

Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.

Это пример для самостоятельного решения. Всё, как и в предыдущем параграфе –нечетностью функции пользоваться НЕ НУЖНО. Аккуратно делим интеграл на две части и исследуем сходимость по типовому алгоритму. Полное решение и ответ в конце урока.

Не редкость, когда подынтегральная функция не является четной или нечетной, да и отрезок интегрирования не симметричен относительно нуля. Например, рассмотрим несобственный интеграл . Подынтегральная функция опять терпит бесконечные разрывы в обоих концах отрезка интегрирования. Алгоритм такой же, делим интеграл на два интеграла:

Таки удобное свойство, правда?

Интегралы правой части разобраны на уроке Несобственные интегралы. Примеры решений. Если оба интеграла будут сходиться, то будет сходиться и весь интеграл. Еслихотя бы один интеграл правой части расходится, то расходится и весь интеграл.

Кстати, не важно, в каком порядке исследовать сходимость интегралов правой части. Можно сначала исследовать сходимость интеграла , а потом (если до этого дойдет дело), исследовать сходимость интеграла .

Метод решения несобственного интеграла
с точкой разрыва на отрезке интегрирования

Если честно, такой пример встречался в моей практике всего один раз (по крайне мне, вспомнил лишь один), поэтому я ограничусь только обзором.

Пример опять же будет в известной степени условным, первое, что в голову пришло. Рассмотрим несобственный интеграл . На концах отрезка интегрирования всё хорошо. Но подынтегральная функция терпит бесконечный разрыв прямо на отрезке в точке . Подынтегральная функция является четной, но это не имеет никакого значения, поскольку отрезок интегрирования не симметричен относительно нуля.

Метод уже состарился, как хмм… чешуя динозавра. Представим несобственный интеграл в виде суммы двух несобственных интегралов:

Интегралы правой части вам уже знакомы. А проговаривать алгоритм в третий раз не буду, смотрите предыдущие два параграфа)

Желаю успехов!

Решения и ответы:

Пример 2: Решение:

Пример 5: Решение:

Проведем замену:


Новые пределы интегрирования:

Пример 8: Решение:

Подынтегральная функция непрерывна на

Пример 11: Решение:

Подынтегральная функция непрерывна на всей числовой прямой.
Представим интеграл в виде суммы двух интегралов:

Проверим сходимость интегралов правой части:

Сходится.

Сходится.
Оба интеграла сходятся, значит, сходится и весь интеграл:

Ответ:
Примечание: Будет серьезной оплошностью сразу записать, что , пользуясь нечетностью подынтегральной функции и симметричностью интервала интегрирования. Стандартный алгоритм обязателен!!!

Пример 13: Решение:
Подынтегральная функция терпит бесконечные разрывы в точках .
Представим данный интеграл в виде суммы двух интегралов:

Исследуем сходимость интегралов правой части:

Несобственный интеграл расходится, значит, расходится и весь интеграл.

Интеграл можно уже не проверять.
Ответ: – расходится

Автор: Емелин Александр

Высшая математика для заочников и не только >>>

(Переход на главную страницу)

Как можно отблагодарить автора?

Поиск по сайту: