这方面只提出需要注意的两点.第一点是: 对广义积分,绝对可积必可积,但反之未必; 对定积分,可积必绝对可积,但反之未必.两者恰恰相反.就此点而言,广义积分与其说像定积分,倒不如说更像数项级数 (见下册命题13.3.1). 第二点是无穷限广义积分所特有的性质,将在本节讨论.
12.4.1 收敛无穷限积分的被积函数在无穷远处的性质
Section titled “12.4.1 收敛无穷限积分的被积函数在无穷远处的性质”由例题2.2.9及其注知道,如果无穷级数 ∑ₙ=1^(∞) aₙ 收敛,则 limₙ → ∞ aₙ = 0.与之类比,初学者容易认为对无穷限广义积分应当成立以下结论:
∫_ a ^ + ∞ f (x) d x text 收敛 Longrightarrow lim _ x → + ∞ f (x) = 0.但是从例题 12.2.5 和图 12.1 中我们知道极限 f(+∞) 完全可以不存在.
首先建立以下基本结论:
设无穷限广义积分 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 收敛,且 limₓ → +∞ f(x) 有意义,则它一定等于0.
证明
证 若 f(+∞) 为有限正数或正无穷大,则都存在 x₀ > a 和 c > 0,使得当 x > x₀ 时成立 f(x) > c.因此对于 A > x₀,有
l∫_ a ^ A f (x) d x = ∫_ a ^ x _ 0 f (x) d x + ∫_ x _ 0 ^ A f (x) d x > ∫_ a ^ x _ 0 f (x) d x + c (A - x _ 0) arrow + ∞ (A arrow + ∞).这与无穷限积分收敛的条件矛盾,可见 f(+∞) 不可能是有限正数或正无穷大.同样地可以证明 f(+∞) 也不可能是负数或负无穷大,因此得到 f(+∞)=0 . square
若 f 单调,则 f(+∞) 一定有意义,从而有 f(+∞) = 0.但是实际上这时还有更强的结论.
若无穷限积分 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 收敛,且 f 单调,则有
lim _ x → + ∞ x f (x) = 0.证明
证 不妨设 f 单调减少.与例题12.4.1的证明类似,可以知道 f 非负.由于广义积分收敛,对于 ε > 0,有正数 M > a,使得对于任何一对 A₁, A₂ > M,成立不等式
| ∫_ A _ 1 ^ A _ 2 f (t) d t | < ε .取 A₁ = x, A₂ = 2x ,则当 x > M 时,就有
0 ≤slant x f (2 x) ≤slant ∫_ x ^ 2 x f (t) d t < ε ,即已经得到 limₓ→+∞xf(x)=0.
下面是无穷限积分 ∫ₐ⁺∞f(x)dx 收敛时使 limₓ→ +∞f(x) = 0 成立的主要结果.
设无穷限积分 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 收敛,且被积函数 f 在 [a, +∞) 上一致连续,则
lim _ x arrow + ∞ f (x) = 0.证明
证 用反证法.假设 limₓ→ +∞f(x) = 0 不成立,则 ∃ ε₀ > 0,使 ∀ A > a , ∃ x₀ > A,满足 |f(x₀)| ≥slant 2ε₀ .
因为 f(x) 在 [a, +∞) 上一致连续,因此对 ε₀ > 0, ∃ δ > 0, ∀ x', x'' ∈ [a, +∞) ( |x' - x''| < δ) ,成立 |f(x') - f(x'')| < ε₀ 。所以当 x ∈ (x₀, x₀ + δ) 时,有
| f (x) | ≥slant | f (x _ 0) | - | f (x _ 0) - f (x) | > ε_ 0,并且 f(x) 与 f(x₀) 同号.因此就有
| ∫_ x _ 0 ^ x _ 0 + δ f (x) d x | ≥slant ε_ 0 ∫_ x _ 0 ^ x _ 0 + δ d x = ε_ 0 δ . (12.9)由于这个不等式右边的 ε₀δ 是一个固定的正数,而对于每个 A > a,都存在 x₀ > A 满足 (12.9),因此与无穷限积分的 Cauchy 收敛准则矛盾.
在无穷限积分 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 收敛时,我们不知道保证 f(+∞) = 0 的充分必要条件是什么.但若有 f ∈ C[a, +∞),则在积分收敛时,条件 f(+∞) = 0 等价于 f 在 [a, +∞) 上一致连续 (参见例题5.4.6).
此外下面的一个结论也是基本的,它表明虽然极限 f(+∞) 不一定存在,但若将数列的极限点概念 (3.6.1 小节) 推广到函数极限,则当连续被积函数的无穷限广义积分收敛时,必有一个极限点是 0.
设 f ∈ C[a, +∞),且 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 收敛,则存在数列 {xₙ} ⊂ [a, +∞),满足条件
lim _ n arrow ∞ x _ n = + ∞ , lim _ n arrow ∞ f (x _ n) = 0.证明
证 根据广义积分收敛的条件得到
lim _ n arrow ∞ ∫_ n ^ n + 1 f (x) d x = 0.对上面的积分用积分第一中值定理,并且用 xₙ 记其中的中值,就有
lim _ n → ∞ f (x _ n) = 0,这时 xₙ∈ (n,n + 1).因此 {f(xₙ)} 是无穷小量,而 {xₙ} 是正无穷大量.square
可以进一步证明存在数列 {xₙ} ⊂ [a, +∞),满足条件 limₙ→ ∞xₙ = +∞ , limₙ→ ∞xₙf(xₙ) = 0.见下面的练习题6.
12.4.2 练习题
Section titled “12.4.2 练习题”-
设 f 于 [a, +∞) 上可导,f' 内闭可积,且广义积分 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 和 ∫ₐ⁺∞ f'(x) dx 都收敛,证明: limₓ → +∞ f(x) = 0 .
-
设函数 f(x) 在 [a, +∞) 上有有界的导函数且无穷限积分 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 收敛,证明: limₓ → +∞ f(x) = 0 .
-
举例说明例题12.4.2之逆不成立,也就是说,当函数 f 在 [a, +∞) 上单调,且满足条件 limₓ → +∞ x f(x) = 0 时,广义积分 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 仍可能发散.
-
若 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 收敛,且 xf(x) 单调,证明: limₓ → +∞ xf(x) ln x = 0 .
-
设函数 f 在 [a, +∞) 上可微且无穷限积分 ∫ₐ⁺∞ f(x) dx 收敛,证明: 存在数列 {xₙ},使 limₙ → ∞ xₙ = +∞ , limₙ → ∞ f'(xₙ) = 0 .
-
(1) 设 f ∈ C[a, +∞) ,且 ∫ₐ⁺∞|f(x)|dx 收敛,证明存在数列 {xₙ} ⊂ [a, +∞) ,满足条件 limₙ→ ∞xₙ = +∞ , limₙ→ ∞xₙf(xₙ) = 0;
(2) 证明在 f ∈ C[a, +∞),且 f 在 [a, +∞) 上的广义积分为条件收敛时有与 (1) 同样的结论;
(3) 问: 在 f 不满足连续条件时结论是否成立? 根据 f 在 [a, +∞) 上的广义积分为绝对收敛和条件收敛分别讨论.