微积分 · 追问笔记
THE CALCULUS LIFESAVER / 第 21 章

反常积分:解题方法

逐个定位问题点,为每个点挑选可靠的比较模型。

5 组核心追问3 组练习原书 pp. 451–476

先修:第 20 章与第 9 章的增长比较

这一章怎么读
  1. 先看问题,暂停一下,用自己的话作答。
  2. 卡住时只展开提示,再阅读推理与公式。
  3. 独立做三组练习;隔一天不看解答重做错题。

建议将一章分成数次学习;以能解释理由、独立做题为进度标准。

本章目录21.1–21.2 起手与判别次序21.3 无穷远:幂与指数21.3.4 对数的临界情形21.4 零附近的局部模型21.5 平移问题点与结论书写
追问 01

21.1–21.2 起手与判别次序

一题为什么可能需要两种不同的比较函数?

先看一个提示

零附近和无穷远的主导行为不同。

展开推理与讲解

先找分母零点、对数边界、根式边界及无穷端点,把所有问题点隔开。能直接积分则先试,否则在每个问题点分别判断正负与主导项,再用比较、极限比较或幂判别。符号变化时优先检查绝对收敛,不能直接对变号函数应用非负比较定理。

0f=01f+1f两段分别检验\int_0^\infty f=\int_0^1f+\int_1^\infty f\quad\text{两段分别检验}
追问 02

21.3 无穷远:幂与指数

高次项在分母中出现,就一定收敛吗?

先看一个提示

先求整个分式的净幂次。

展开推理与讲解

多项式及根式看有效最高幂,差式若抵消需有理化。指数衰减快于固定幂,对数增长慢于固定正幂。正弦余弦有界可用于绝对值比较,但正切有极点,不能称所有三角函数都全局有界。比较仍需检查有限区间有没有新奇点。

xmecx0 (c>0),(lnx)qxp0 (p,q>0)x^m e^{-cx}\to0\ (c>0),\quad\frac{(\ln x)^q}{x^p}\to0\ (p,q>0)
追问 03

21.3.4 对数的临界情形

当幂次恰好是 1/x1/x,对数能改变结果吗?

先看一个提示

u=lnxu=\ln x

展开推理与讲解

edx/[x(lnx)q]\int_e^\infty dx/[x(\ln x)^q] 换元后变成 1uqdu\int_1^\infty u^{-q}du,因此恰在 q>1q>1 时收敛。若原幂次偏离临界,往往由幂决定;临界线上必须保留对数,不能把它称作“不重要的小量”而删除。

edxx(lnx)q 收敛    q>1\int_e^\infty\frac{dx}{x(\ln x)^q}\text{ 收敛}\iff q>1
追问 04

21.4 零附近的局部模型

无穷远看最高幂,零附近看什么?

先看一个提示

xx 很小时,较小的正幂通常更大。

展开推理与讲解

零附近看最先不消失的最低阶项:sinxx\sin x\sim xex1xe^x-1\sim xln(1+x)x\ln(1+x)\sim xlnx\ln x 在零发散但慢于任意负幂,因此 lnx\lvert\ln x\rvert 在零可积。相减的式子不能随意逐项替换后把信息抵消光。

sinxx,ex1x,ln(1+x)x(x0)\sin x\sim x,\quad e^x-1\sim x,\quad\ln(1+x)\sim x\quad(x\to0)
追问 05

21.5 平移问题点与结论书写

奇点在 3 而不是零,旧方法如何使用?

先看一个提示

将到奇点的距离当作新变量。

展开推理与讲解

u=xau=x-au=axu=a-x,把单侧奇点移到 u=0+u=0^+,保留微分和积分方向。若分母函数在 aa 有简单零点且导数非零,通常与 xax-a 成比例;高重零点需相应幂次。最终答案要逐段列出结论,再汇总整体敛散性。

g(a)=0, g(a)0g(x)g(a)(xa)g(a)=0,\ g'(a)\ne0\Longrightarrow g(x)\sim g'(a)(x-a)

本章练习 · 先尝试,再揭示

本书没有独立章末习题集。以下明确区分原书例题、正文结论改编及补充自测;页码是印刷页码,链接另标 PDF 页序。延伸问法已在题目或解答中说明。

练习 1 / 3

原书例题重述 · 21.3.1 · 原书 p. 457(PDF 第 482 页)↗

判断 1dx/(2+20x)\int_1^\infty dx/(2+20\sqrt{x})

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

分母主导项为 20x20\sqrt{x}

提示二 · 关键转折

x1/2x^{-1/2} 求比值极限。

参考解答 · 完成尝试后再展开

比值 x/(2+20x)1/20\sqrt{x}/(2+20\sqrt{x})\to1/20,正且有限。p=1/21p=1/2\le1 的无穷远幂积分发散,故原积分发散。虽然被积函数趋零,面积仍无界。

练习 2 / 3

原书例题重述 · 21.3.1 · 原书 p. 457(PDF 第 482 页)↗

判断 0dx/(x5+4x4+1)\int_0^\infty dx/(x^5+4x^4+1)

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

先看零附近是否真的有奇点。

提示二 · 关键转折

[0,1][0,1] 连续,在 [1,)[1,\infty)x5x^{-5} 比较。

参考解答 · 完成尝试后再展开

分母对非负 xx 至少为 1,有限部分正常可积;无穷远与 x5x^{-5} 的比值趋 1,p=5>1p=5>1,所以整体收敛。不能把比较函数 x5x^{-5} 从 1 延伸到零并据此误判。

练习 3 / 3

补充自测 · 对应 21.4–21.5 · 本笔记编写

判断 01lnxdx\int_0^1\ln x\,dx01dx/1x\int_0^1dx/\sqrt{1-x}

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

第一问分部积分,第二问平移奇点。

提示二 · 关键转折

原函数分别为 xlnxxx\ln x-x21x-2\sqrt{1-x}

参考解答 · 完成尝试后再展开

第一问由 xlnx0x\ln x\to0 得积分 -1,绝对值积分为 1,因此绝对收敛。第二问在 1 附近为距离的 1/2-1/2 次幂,收敛且积分值为 2。

学习闭环

过关自查

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