Несобственный интеграл с двумя бесконечными пределами. Несобственные интегралы
Определенный интеграл как предел интегральной суммы
может существовать (т.е. иметь определенное конечное значение) лишь при выполнении условий
Если
хотя бы одно из этих условий нарушено,
то определение теряет смысл. Действительно,
в случае бесконечного отрезка, например
[a
;
)
его нельзя разбить на п
частей конечной длины
,
которая к тому же с увеличением количества
отрезков стремилась бы к нулю. В случае
же неограниченной в некоторой точке
с
[a
;
b
]
нарушается требование произвольного
выбора точки
на частичных отрезках – нельзя выбрать
=с
,
поскольку значение функции в этой точке
не определено. Однако и для этих случаев
можно обобщить понятие определенного
интеграла, введя еще один предельный
переход. Интегралы по бесконечным
промежуткам и от разрывных (неограниченных)
функций называют несобственными
.
Определение.
Пусть
функция
определена на промежутке [a
;
)
и интегрируема на любом конечном отрезке
[a
;
b
],
т.е. существует
для любого b
> a
.
Предел вида
называют несобственным
интегралом
первого
рода
(или
несобственным интегралом по бесконечному
промежутку) и обозначают
.
Таким
образом, по определению,
=
.
Если
предел справа существует и конечен, то
несобственный интеграл
называют сходящимся
.
Если этот предел бесконечен, или не
существует вообще, то говорят, что
несобственный интеграл расходится
.
Аналогично
можно ввести понятие несобственного
интеграла от функции
по промежутку (–;
b
]:
=
.
А
несобственный интеграл от функции
по промежутку (–;
+)
определяется как сумма введенных выше
интегралов:
=
+
,
где а – произвольная точка. Этот интеграл сходится, если сходятся оба слагаемых, и расходится, если расходится хотя бы одно из слагаемых.
С
геометрической точки зрения, интеграл
,
,
определяет численное значение площади
бесконечной криволинейной трапеции,
ограниченной сверху графиком функции
,
слева – прямой
,
снизу – осью ОХ. Сходимость интеграла
означает существование конечной площади
такой трапеции и равенство ее пределу
площади криволинейной трапеции с
подвижной правой стенкой
.
На случай интеграла с бесконечным пределом можно обобщить и формулу Ньютона-Лейбница :
=
=
F(+
)
– F(a
),
где
F(+
)
=
.
Если этот предел существует, то интеграл
сходится, в противном случае – расходится.
Мы рассмотрели обобщение понятия определенного интеграла на случай бесконечного промежутка.
Рассмотрим теперь обобщение для случая неограниченной функции.
Определение
Пусть
функция
определена на промежутке [a
;
b
),
неограниченна в некоторой окрестности
точки b
,
и непрерывна на любом отрезке
,
где >0
(и, следовательно, интегрируема на этом
отрезке, т.е.
существует). Предел вида
называется несобственным
интегралом второго рода
(или несобственным интегралом от
неограниченной функции) и обозначается
.
Таким образом, несобственный интеграл от неограниченной в точке b функции есть по определению
=
.
Если предел справа существует и конечен, то интеграл называется сходящимся . Если конечного предела не существует, то несобственный интеграл называется расходящимся.
Аналогично
можно определить несобственный интеграл
от функции
имеющей бесконечный разрыв в точке а
:
=
.
Если
функция
имеет бесконечный разрыв во внутренней
точке с
,
то несобственный интеграл определяется
следующим образом
=
+
=
+
.
Этот интеграл сходится, если сходятся оба слагаемых, и расходится, если расходится хотя бы одно слагаемое.
С
геометрической точки зрения, несобственный
интеграл от неограниченной функции
также характеризует площадь неограниченной
криволинейной трапеции:
Поскольку несобственный интеграл выводится путем предельного перехода из определенного интеграла, то все свойства определенного интеграла могут быть перенесены (с соответствующими уточнениями) на несобственные интеграла первого и второго рода.
Во многих задачах, приводящих к несобственным интегралам, не обязательно знать, чему равен этот интеграл, достаточно лишь убедиться в его сходимости или расходимости. Для этого используют признаки сходимости . Признаки сходимости несобственных интегралов:
1) Признак сравнения .
Пусть
для всех х
.
Тогда, если
сходится, то сходится и
,
причем
.
Если
расходится, то расходится и
.
2)
Если сходится
,
то сходится и
(последний интеграл в этом случае
называется абсолютно
сходящимся
).
Признаки сходимости и расходимости несобственных интегралов от неограниченных функций аналогичны сформулированным выше.
Примеры решения задач.
Пример 1.
а)
;
б)
;
в)
г)
; д)
.
Решение.
а) По определению имеем:
.
б) Аналогично
Следовательно,
данный интеграл сходится и равен
.
в)
По определению
=
+
,
причем, а
– произвольное число. Положим в нашем
случае
,
тогда получим:
Данный интеграл сходится.
Значит, данный интеграл расходится.
д)
Рассмотрим
.
Чтобы найти первообразную подынтегральной
функции, необходимо применить метод
интегрирования по частям. Тогда получим:
Поскольку
ни
,
ни
не существуют, то не существует и
Следовательно, данный интеграл расходится.
Пример 2.
Исследовать
сходимость интеграла
в зависимости от п
.
Решение.
При
имеем:
Если
,
то
и
.
Следовательно, интеграл расходится.
Если
,
то
,
а
,
тогда
=
,
Следовательно, интеграл сходится.
Если
,
то
следовательно, интеграл расходится.
Таким
образом,
Пример 3.
Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость:
а)
;
б)
;
в)
.
Решение.
а)
Интеграл
является несобственным интегралом
второго рода, поскольку подынтегральная
функция
не ограничена в точке
.
Тогда, по определению,
.
Интеграл сходится и равен
.
б)
Рассмотрим
.
Здесь также подынтегральная функция
не ограничена в точке
.
Поэтому, данный интеграл – несобственный
второго рода и по определению,
Следовательно, интеграл расходится.
в)
Рассмотрим
.
Подынтегральная функция
терпит бесконечный разрыв в двух точках:
и
,
первая из которых принадлежит промежутку
интегрирования
.
Следовательно, данный интеграл –
несобственный второго рода. Тогда, по
определению
=
=
.
Следовательно,
интеграл сходится и равен
.
Рассмотрим два вида несобственных интервалов:
- 1. Несобственные интегралы I-го рода с бесконечными пределами интегрирования;
- 2. Несобственные интегралы II-го рода от функций с бесконечными разрывами.
Несобственные интегралы первого рода с бесконечными пределами интегрирования
Определение: Интегралы вида: называются несобственными интегралами I-го рода с бесконечными пределами, которые определяются с помощью пределов:
Определение Несобственные интегралы называются сходящимися, если существуют конечные пределы, с помощью которых эти интегралы определяются.
Несобственные интегралы называются расходящимися, если эти пределы не существуют или бесконечные.
Действительно, пусть функция f(x) определена и непрерывна при любом значении x=в из полубесконечного отрезка функций имеем:
Он сходится к 1. Тогда согласно теореме 1 несобственный интеграл от меньшей функции: также сходится и его значение меньше 1.
Теорема 2. Если для знакоположительных функций, для которых выполняется неравенство 0?g(x)?f(x), при любых х? а, несобственный интеграл от меньшей функции расходится, то расходится и несобственный интеграл от большей функции.
Пример. Исследовать сходимость интеграла:
Решение. Сравним подинтегральную функцию с функцией. Для знакоположительных на интервале , а отрезок интегрирования является конечным, то есть ограничен числами, а не бесконечностью. Некоторые задачи приводят к необходимости отказаться от этих ограничений. Так появляются несобственные интегралы.
Геометрический смысл несобственного интеграла выясняется довольно просто. В случае, когда график функции y = f (x ) находится выше оси Ox , определённый интеграл выражает площадь криволинейной трапеции, ограниченной кривой y = f (x ) , осью абсцисс и ординатами x = a , x = b . В свою очередь несобственный интеграл выражает площадь неограниченной (бесконечной) криволинейной трапеции, заключённой между линиями y = f (x ) (на рисунке ниже - красного цвета), x = a и осью абсцисс.
Аналогичным образом определяются несобственные интегралы и для других бесконечных интервалов:
Площадь бесконечной криволинейной трапеции может быть конечным числом и в этом случае несобственный интеграл называется сходящимся. Площадь может быть и бесконечностью и в этом случае несобственный интеграл называется расходящимся.
Использование предела интеграла вместо самого несобственного интеграла. Для того, чтобы вычислить несобственный интеграл, нужно использовать предел определённого интеграла. Если этот предел существует и конечен (не равен бесконечности), то несобственный интеграл называется сходящимся, а в противном случае - расходящимся. К чему стремится переменная под знаком предела, зависит от того, имеем мы дело с несобственным интегралом первого рода или второго рода. Узнаем об этом сейчас же.
Несобственные интегралы первого рода - с бесконечными пределами и их сходимость
Несобственные интегралы с бесконечным верхним пределом
Итак, запись несобственного интеграла как отличается от обычного определённого интеграла тем, что верхний предел интегрирования бесконечен.
Определение. Несобственным интегралом с бесконечным верхним пределом интегрирования от непрерывной функции f (x ) на промежутке от a до ∞ называется предел интеграла этой функции с верхним пределом интегрирования b и нижним пределом интегрирования a при условии, что верхний предел интегрирования неограниченно растёт , т.е.
.
Если этот предел существует и равен некоторому числу, а не бесконечности, то несобственный интеграл называется сходящимся , а число, которому равен предел, принимается за его значение. В противном случае несобственный интеграл называется расходящимся и ему не приписывается никакого значения.
Пример 1. Вычислить несобственный интеграл (если он сходится).
Решение. На основании определения несобственного интеграла находим
Так как предел существует и равен 1, то и данный несобственный интеграл сходится и равен 1.
В следующем примере подынтегральная функция почти как в примере 1, только степень икса - не двойка, а буква альфа, а задача состоит в исследовании несобственного интеграла на сходимость. То есть предстоит ответить на вопрос: при каких значениях альфы данный несобственный интеграл сходится, а при каких расходится?
Пример 2. Исследовать на сходимость несобственный интеграл (нижний предел интегрирования больше нуля).
Решение. Предположим сначала, что , тогда
В полученном выражении перейдём к пределу при :
Нетрудно видеть, что предел в правой части существует и равен нулю, когда , то есть , и не существует, когда , то есть .
В первом случае, то есть при
имеет место .
Если , то
и
не существует.
Вывод нашего исследования следующий: данный несобственный интеграл сходится при и расходится при .
Применяя к изучаемому виду несобственного интеграла формулу Ньютона-Лейбница 
,
можно вывести следующую очень похожую на неё формулу:
.
Это обобщённая формула Ньютона-Лейбница.
Пример 3. Вычислить несобственный интеграл (если он сходится).
Предел этого интеграла существует:
Второй интеграл, составляющий сумму, выражающую исходный интеграл:
Предел этого интеграла также существует:
.
Находим сумму двух интегралов, являющуюся и значением исходного несобственного интеграла с двумя бесконечными пределами:
Несобственные интегралы второго рода - от неограниченных функций и их сходимость
Пусть функция f (x ) задана на отрезке от a до b и неограниченна на нём. Предположим, что функция обращается в бесконечность в точке b , в то время как во всех остальных точках отрезка она непрерывна.
Определение. Несобственным интегралом функции f (x ) на отрезке от a до b называется предел интеграла этой функции с верхним пределом интегрирования c , если при стремлении c к b функция неограниченно возрастает, а в точке x = b функция не определена , т.е.
.
Если этот предел существует, то несобственный интеграл второго рода называется сходящимся, в противном случае - расходящимся.
Используя формулу Ньютона-Лейбница, выводим.
Несобственный интеграл с бесконечным пределом интегрирования
Иногда такой несобственный интеграл еще называют несобственным интегралом первого рода..gif" width="49" height="19 src=">.
Реже встречаются интегралы с бесконечным нижним пределом или с двумя бесконечными пределами: .
Мы рассмотрим самый популярный случай https://pandia.ru/text/80/057/images/image005_1.gif" width="63" height="51">? Нет, не всегда. Подынтегральная функция https://pandia.ru/text/80/057/images/image007_0.gif" width="47" height="23 src=">
Изобразим на чертеже график подынтегральной функции . Типовой график и криволинейная трапеция для данного случая выглядит так:
Несобственный интеграл https://pandia.ru/text/80/057/images/image009_0.gif" width="100" height="51">», иными словами, площадь тоже бесконечна. Так быть может. В этом случае говорят, что, что несобственный интеграл расходится .
2) Но . Как это ни парадоксально прозвучит, площадь бесконечной фигуры может равняться… конечному числу! Например: .. Во втором случае несобственный интеграл сходится .
А что будет, если бесконечная криволинейная трапеция расположена ниже оси?.gif" width="217" height="51 src=">.
: 
.
Пример 1
Подынтегральная функция https://pandia.ru/text/80/057/images/image017_0.gif" width="43" height="23">, значит, всё нормально и несобственный интеграл можно вычислить «штатным» методом.
Применение нашей формулы https://pandia.ru/text/80/057/images/image018_0.gif" width="356" height="49">
То есть, несобственный интеграл расходится, и площадь заштрихованной криволинейной трапеции равна бесконечности.
При решении несобственных интегралов очень важно знать, как выглядят графики основных элементарных функций!
Пример 2
Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.
Выполним чертеж:
Во-первых, замечаем следующее: подынтегральная функция непрерывна на полуинтервале . Гуд..gif" width="327" height="53">
(1) Берем простейший интеграл от степенной функции (этот частный случай есть во многих таблицах). Минус лучше сразу вынести за знак предела, чтобы он не путался под ногами в дальнейших вычислениях.
(2) Подставляем верхний и нижний пределы по формуле Ньютона-Лейбница.
(3) Указываем, что https://pandia.ru/text/80/057/images/image024.gif" width="56" height="19 src="> (Господа, это уже давно нужно понимать) и упрощаем ответ.
Вот здесь площадь бесконечной криволинейной трапеции равна конечному числу! Невероятно, но факт.
Пример 3
Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.
Подынтегральная функция непрерывна на .
Сначала попытаемся найти первообразную функцию (неопределенный интеграл).
На какой из табличных интегралов похожа подынтегральная функция? Напоминает она арктангенс: 
. Из этих соображений напрашивается мысль, что неплохо бы в знаменателе получить квадрат. Делается это путем замены.
Проведем замену:
Всегда полезно выполнить проверку, то есть продифференцировать полученный результат:
Теперь находим несобственный интеграл:
(1) Записываем решение в соответствии с формулой 
. Константу лучше сразу вынести за знак предела, чтобы она не мешалась в дальнейших вычислениях.
(2) Подставляем верхний и нижний пределы в соответствии с формулой Ньютона-Лейбница..gif" width="56" height="19 src=">? Смотрите график арктангенса в уже неоднократно рекомендованной статье.
(3) Получаем окончательный ответ. Тот факт, что полезно знать наизусть.
Продвинутые студенты могут не находить отдельно неопределенный интеграл, и не использовать метод замены, а использовать метод подведения функции под знак дифференциала и решать несобственный интеграл «сразу». В этом случае решение должно выглядеть примерно так:
“
Подынтегральная функция непрерывна на https://pandia.ru/text/80/057/images/image041.gif" width="337" height="104">
“
Пример 4
Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.
! Это типовой пример, и похожие интегралы встречаются очень часто. Хорошо его проработайте! Первообразная функция здесь находится методом выделения полного квадрата.
Пример 5
Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.
Этот интеграл можно решить подробно, то есть сначала найти неопределенный интеграл, проведя замену переменной. А можно решить «сразу» – подведением функции под знак дифференциала..
Несобственные интегралы от неограниченных функций
Иногда такие несобственные интегралы называют несобственными интегралами второго рода. Несобственные интегралы второго рода коварно «шифруются» под обычный определенный интеграл и выглядят точно так же: ..gif" width="39" height="15 src=">, 2) или в точке , 3) или в обеих точках сразу, 4) или даже на отрезке интегрирования. Мы рассмотрим первые два случая, для случаев 3-4 в конце статьи есть ссылка на дополнительный урок.
Сразу пример, чтобы было понятно: https://pandia.ru/text/80/057/images/image048.gif" width="65 height=41" height="41">, то знаменатель у нас обращается в ноль, то есть подынтегральной функции просто не существует в этой точке!
Вообще при анализе несобственного интеграла всегда нужно подставлять в подынтегральную функцию оба предела интегрирования ..jpg" alt="Несобственный интеграл, точка разрыва в нижнем пределе интегрирования" width="323" height="380">
Здесь почти всё так же, как в интеграле первого рода.
Наш интеграл численно равен площади заштрихованной криволинейной трапеции, которая не ограничена сверху. При этом могут быть два варианта: несобственный интеграл расходится (площадь бесконечна) либо несобственный интеграл равен конечному числу (то есть, площадь бесконечной фигуры – конечна!).
Осталось только модифицировать формулу Ньютона-Лейбница. Она тоже модифицируется с помощью предела, но предел стремится уже не к бесконечности, а к значению https://pandia.ru/text/80/057/images/image052.gif" width="28" height="19"> справа .
Пример 6
Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.
Подынтегральная функция терпит бесконечный разрыв в точке (не забываем устно или на черновике проверить, всё ли нормально с верхним пределом!)
Сначала вычислим неопределенный интеграл:
Замена: 
Вычислим несобственный интеграл:
(1) Что здесь нового? По технике решения практически ничего. Единственное, что поменялось, это запись под значком предела: . Добавка обозначает, что мы стремимся к значению справа (что логично – см. график). Такой предел в теории пределов называют односторонним пределом. В данном случае у нас правосторонний предел.
(2) Подставляем верхний и нижний предел по формуле Ньютона Лейбница.
(3) Разбираемся с https://pandia.ru/text/80/057/images/image058.gif" width="69" height="41 src=">. Как определить, куда стремиться выражение? Грубо говоря, в него нужно просто подставить значение , подставляем три четверти и указываем, что . Причесываем ответ.
В данном случае несобственный интеграл равен отрицательному числу.
Пример 7
Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.
Пример 8
Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.
Если подынтегральной функции не существует в точке
Бесконечная криволинейная трапеция для такого несобственного интеграла принципиально выглядит следующим образом:
Здесь всё абсолютно так же, за исключением того, что предел у нас стремится к значению https://pandia.ru/text/80/057/images/image052.gif" width="28" height="19"> мы должны бесконечно близко приблизиться к точке разрыва слева .
Иногда такие несобственные интегралы называют несобственными интегралами второго рода . Несобственные интегралы второго рода коварно «шифруются» под обычный определенный интеграл и выглядят точно так же: .
Но, в отличие от определенного интеграла, подынтегральная функция терпит бесконечный разрыв (не существует):
1) в точке ,
2) точке ,
3) в обеих точках сразу,
4) или даже на отрезке интегрирования.
Мы рассмотрим первые два случая, для случаев 3-4 в конце статьи есть ссылка на дополнительный урок.
Рассмотрим сразу пример, чтобы было понятно:
Вроде бы это определенный интеграл. Но на самом деле – это несобственный интеграл второго рода, так как если мы подставим в подынтегральную функцию, то значение нижнего предела
тогда знаменатель у нас обращается в ноль, то есть подынтегральной функции в этой точке просто не существует!
При анализе несобственного интеграла всегда нужно подставлять в подынтегральную функцию оба предела интегрирования . В этой связи проверим и верхний предел:
Здесь всё хорошо. Криволинейная трапеция для рассматриваемой разновидности несобственного интеграла принципиально выглядит так:
Здесь почти всё так же, как в интеграле первого рода. Наш интеграл численно равен площади заштрихованной криволинейной трапеции, которая не ограничена сверху. При этом могут быть два варианта: несобственный интеграл расходится (площадь бесконечна), либо несобственный интеграл равен конченому числу (когда площадь бесконечной фигуры – конечна!).
Осталось только модифицировать формулу Ньютона-Лейбница. Она тоже модифицируется с помощью предела, но предел стремится уже не к бесконечности, а к значениюсправа. Легко проследить по чертежу, что по оси OX справа .
Посмотрим, как это реализуется на практике.
Пример 6
(не забываем устно или на черновике проверить, всё ли нормально с верхним пределом!). Сначала вычислим неопределенный интеграл:
У кого возникли трудности с заменой, обратитесь к уроку Метод замены в неопределенном интеграле .
Вычислим несобственный интеграл:
(1) Что здесь нового? По технике решения практически ничего. Единственное, что поменялось, это запись под значком предела:
Добавка +0 обозначает, что мы стремимся к значению ¾ справа, что логично (см. график). Такой предел в теории пределов называют односторонним пределом . В данном случае у нас правосторонний предел .
(2) Подставляем верхний и нижний предел по формуле Ньютона Лейбница.
(3) Разбираемся с при . Как определить, куда стремится выражение? Грубо говоря, в него нужно просто подставить значение , подставляем три четверти и указываем, что . Причесываем ответ.
В данном случае несобственный интеграл равен отрицательному числу. В этом никакого криминала нет, просто соответствующая криволинейная трапеция расположена под осью OX . А сейчас примеры для самостоятельного решения.
Пример 7
Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.
Пример 8
Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.
Если подынтегральной функции не существует в точке
Бесконечная криволинейная трапеция для такого несобственного интеграла принципиально выглядит следующим образом:
Здесь всё абсолютно делаем так же, за исключением того, что предел у нас стремится к значению b слева. По оси OX мы должны бесконечно близко приблизиться к точке разрыва слева .
Пример 9
Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.
Подынтегральная функция терпит бесконечный разрыв в точке b = 3 (устно проверяем, что с другим пределом интегрирования всё нормально!).
Для разнообразия решим этот предел сразу – методом подведения функции под знак дифференциала. Те, кому трудно, могут сначала найти неопределенный интеграл по уже рассмотренной схеме.
Добавка (-0) обозначает, что предел у нас левосторонний , и к точке b = 3 мы приближаемся по оси OX слева .
Разбираемся, почему дробь
(это лучше делать устно или на черновике).
Подставляем под корень предельное значение b = 3 - 0.
Окончательно:
Несобственный интеграл расходится.
Знак минус обозначает, что соответствующая криволинейная трапеция расположена под осьюOX . Будьте очень внимательны в знаках.
Да, конечно, несобственный интеграл расходится, но и – это разные вещи, разные жанры, и если Вы недосмотрите за знаками, то, строго говоря, допустите серьезную ошибку.
И заключительные два примера для самостоятельного рассмотрения:
Пример 10
Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.
Пример 11
Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость.
Разбор ситуации, когда оба предела интегрирования «плохие», или точка разрыва содержится прямо на отрезке интегрирования, можно найти в статье Эффективные методы решения определённых и несобственных интегралов .
Решения и ответы:
Пример 4: Решение:
.
Пример 5: Решение:
Подынтегральная функция непрерывна на .
Пример 7: Решение:
Подынтегральная функция терпит бесконечный разрыв в точке
Несобственный интеграл расходится.
Примечание: с пределом выражения