原书例题重述 · 21.3.1 · 原书 p. 457(PDF 第 482 页)↗
判断 。
写下我的思路
提示一 · 从哪里开始
分母主导项为 。
提示二 · 关键转折
与 求比值极限。
参考解答 · 完成尝试后再展开
比值 ,正且有限。 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。
逐个定位问题点,为每个点挑选可靠的比较模型。
一题为什么可能需要两种不同的比较函数?
零附近和无穷远的主导行为不同。
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。
继续追问:中间分割点一定必须是 1 吗?
不是。可取任何避开奇点的正常正数,分割选择不改变敛散性。
高次项在分母中出现,就一定收敛吗?
先求整个分式的净幂次。
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。
继续追问:只有被积函数趋于零,能否证明无穷区间积分收敛?
不能。 趋零但在 的积分发散。
当幂次恰好是 ,对数能改变结果吗?
令 。
换元后变成 ,因此恰在 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。
继续追问: 时原函数是什么,为什么仍发散?
原函数为 ,随 仍趋无穷。
无穷远看最高幂,零附近看什么?
当 很小时,较小的正幂通常更大。
零附近看最先不消失的最低阶项:、、。 在零发散但慢于任意负幂,因此 在零可积。相减的式子不能随意逐项替换后把信息抵消光。
继续追问: 的首个非零阶次是一阶还是二阶?
二阶,;用一阶替换会遗漏主导项。
奇点在 3 而不是零,旧方法如何使用?
将到奇点的距离当作新变量。
令 或 ,把单侧奇点移到 ,保留微分和积分方向。若分母函数在 有简单零点且导数非零,通常与 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。
继续追问:左右两侧的符号能否直接共用同一结论?
不能。应分别检查单侧符号,或对绝对值建立共同的距离模型。
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。
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分母主导项为 。
与 求比值极限。
比值 ,正且有限。 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。
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先看零附近是否真的有奇点。
在 连续,在 与 比较。
分母对非负 至少为 1,有限部分正常可积;无穷远与 的比值趋 1,,所以整体收敛。不能把比较函数 从 1 延伸到零并据此误判。
补充自测 · 对应 21.4–21.5 · 本笔记编写
第一问分部积分,第二问平移奇点。
原函数分别为 和 。
第一问由 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 次幂,收敛且积分值为 2。