2022考研数二第05题解析:反常积分敛散性、敛散性的比值判别法

一、题目

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反常积分敛散性三个常用公式中第二个公式的推论公式

一、前言

由《反常积分敛散性的三个常用公式及推导证明》可知,判断反常积分敛散性三个常用公式中的第二个公式为:

$$
a > 0 \textcolor{lightgreen}{ \leadsto } \int_{a}^{+\infty} \frac{1}{x^{p}} \mathrm{~d} x \begin{cases}
\text{收敛}, & p > 1 \\
\text{发散}, & p \leqslant 1
\end{cases}
$$

在本文中,「荒原之梦考研数学」将基于上面的公式,推导出另一个判断反常积分敛散性的常用公式.

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峰图 | 任意正次幂 $x^{a}$ 趋于 $0$ 的速度快于 $\ln ⁡x$ 趋于 $- \infty$ 的速度

一、前言

在本文中,「荒原之梦考研数学」将通过推导计算证明,当 $a > 0$ 的时候,任意正次幂 $x^{a}$ 趋于 $0$ 的速度快于 $\ln ⁡x$ 趋于 $- \infty$ 的速度,从而证明:

$$
\lim_{x \to 0^{+}} x^{a} \ln x = 0
$$

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判断反常积分敛散性的两个方法:泰勒展开和比值法

一、前言

在本文中,「荒原之梦考研数学」将通过泰勒展开和比值两种方法判断下面这个反常积分的敛散性:

$$
\int_{0}^{1} \frac{x \ln x}{\left( 1 – x \right)^{2}} \mathrm{~d} x
$$

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与积分的敛散性相关的概念:奇性、瑕积分、反常积分

一、前言

普通的定积分通常不需要专门讨论其敛散性,因为只要被积函数是连续的,这个定积分就一定收敛.

但是,还存在一类不一定收敛的积分(当然也不一定发散),就是“反常积分”,这个时候就需要讨论敛散性了——

反常积分的敛散性问题,本质上是一个极限问题,如果反常积分的极限存在,就说这个反常积分收敛,如果极限不存在,就说这个反常积分发散.

在本文中,「荒原之梦考研数学」会将这些与积分敛散性有关的一些概念做一个详细的梳理和讲解.

与积分的敛散性相关的概念:奇性、瑕积分、反常积分 | 荒原之梦考研数学 | 图 01.
图 01. 积分的敛散性、反常积分、奇性、瑕积分

二、正文

所谓“奇性”就是:函数在某个点附近没有“普通”的函数值,即:

  • 函数值不存在(函数在该点处没有定义);
  • 函数值趋于正无穷大 $+ \infty$;
  • 函数值趋于负无穷大 $- \infty$.

存在奇性的点也被称为“奇点”或者“瑕点”.

所谓“瑕积分”就是:积分区间(积分的上下限)一般是有限的,但被积函数在区间内某点或端点处存在奇性.

例如,对于积分 $\int_{0}^{1} \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{~d}x$, 在 $x=0$ 处,有:

$$
\frac{1}{\sqrt{x}} \to \infty
$$

所以这不是普通定积分,而是瑕积分:

$$
\int_{0}^{1} \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{~d}x = \lim_{\varepsilon \to 0^{+}} \int_{\varepsilon}^{1} \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{~d}x
$$

如果 $\lim_{\varepsilon \to 0^{+}} \int_{\varepsilon}^{1} \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{~d}x$ 这个极限存在,我们就说这个瑕积分收敛;否则就说这个瑕积分发散.

需要注意的是,函数在某点趋于无穷,不代表积分一定发散.

关于这一问题,我们可以简单地理解为:趋于无穷的速度快(函数图象与坐标轴围起来的面积不会无限增长),就可能不发散,趋于五穷的速度慢(函数图象与坐标轴围起来的面积无限增长),就可能发散.

例如,对于下面的积分,虽然被积函数 $\frac{1}{\sqrt{x}}$ 在 $0$ 处趋于无穷大,但是,该积分是收敛的:

$$
\int_{0}^{1} \frac{1}{\sqrt{x}} \mathrm{~d}x
$$

而对于下面的积分,被积函数 $\frac{1}{x}$ 在 $0$ 处也趋于无穷大,但是,该积分是发散的:

$$
\int_{0}^{1} \frac{1}{x} \mathrm{~d}x
$$

反常积分一般包括两类:

  1. 积分区间无限的反常积分,例如:

$$
\int_{1}^{\infty} \frac{1}{x^{2}} \mathrm{~d}x
$$

  1. 积分区间有限,但被积函数有奇性的反常积分(也被称为瑕积分),例如:

$$
\int_{0}^{1} \frac{1}{x^{p}} \mathrm{~d}x
$$

对于一个反常积分,只要有一个地方发散,整体就发散,而存在奇性的点很可能存在发散现象,所以,在判断反常积分敛散性的时候,我们要格外注意存在奇性的点.

例如,若 $x=0$ 和 $x=1$ 是函数 $f(x)$ 存在奇性的点(奇点),那么,对于 $\int_{0}^{1} f\left(x\right) \mathrm{~d}x$ 这个积分,就必须将积分区间分开看:

$$
\int_{0}^{\frac{1}{2}} f\left(x\right) \mathrm{~d}x + \int_{\frac{1}{2}}^{1} f\left(x\right) \mathrm{~d}x
$$

只有 $\int_{0}^{\frac{1}{2}} f\left(x\right) \mathrm{~d}x$ 和 $\int_{\frac{1}{2}}^{1} f\left(x\right) \mathrm{~d}x$ 这两个积分都收敛,原来的整个积分才收敛;如果其中一个发散,那么原来的整个积分就发散.

当然,对于 $\int_{0}^{1} f\left(x\right) \mathrm{~d}x$ 这个积分,我们也可以拆成下面这样的形式:

$$
\int_{0}^{\xi} f\left(x\right) \mathrm{~d}x + \int_{\xi}^{1} f\left(x\right) \mathrm{~d}x
$$

其中,$\xi \in \left( 0, 1 \right)$.


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2021年考研数二第22题解析:相似对角化

一、题目

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2021年考研数二第21题解析:直角坐标系转极坐标系、二重积分的计算

一、题目

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2021年考研数二第20题解析:一阶线性微分方程的求解、切线、极值

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2021年考研数二第19题解析:曲线的弧长、旋转曲面的面积

一、题目

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2021年考研数二第17题解析:极限的计算、变上限积分、泰勒公式、洛必达运算

一、题目

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基于“金木水火土”和汉字以及天干地支纪年法理解矩阵的乘法运算

在下面的式子中,列向量 $\begin{pmatrix} \text{金} & \text{木} & \text{水} & \text{火} & \text{土} \end{pmatrix}^{\top}$ 和行向量 $\begin{pmatrix} \text{金} & \text{木} & \text{水} & \text{火} & \text{土} \end{pmatrix}$ 相乘(外积)所得的 $5 \times 5$ 的矩阵中,每一个元素都是一个真实存在的汉字:

$$
\begin{pmatrix}
\text{金} \\
\text{木} \\
\text{水} \\
\text{火} \\
\text{土}
\end{pmatrix} \times
\begin{pmatrix}
\text{金} & \text{木} & \text{水} & \text{火} & \text{土}
\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}
\text{鍂} & \text{鈢} & \text{淦} & \text{鈥} & \text{釷} \\
\text{鈢} & \text{林} & \text{沐} & \text{炑} & \text{杜} \\
\text{淦} & \text{沐} & \text{沝} & \text{淡} & \text{汢} \\
\text{鈥} & \text{炑} & \text{淡} & \text{炎} & \text{灶} \\
\text{釷} & \text{杜} & \text{汢} & \text{灶} & \text{圭} \\
\end{pmatrix}
$$

当然,基于天干地支纪年法,也可以表示向量乘法运算(外积):

$$
\begin{aligned}
& \begin{pmatrix}
\tiny{\text{甲}} \\
\tiny{\text{乙}} \\
\tiny{\text{丙}} \\
\tiny{\text{丁}} \\
\tiny{\text{戊}} \\
\tiny{\text{己}} \\
\tiny{\text{庚}} \\
\tiny{\text{辛}} \\
\tiny{\text{壬}} \\
\tiny{\text{癸}}
\end{pmatrix} \times
\begin{pmatrix}
\tiny{\text{子}} & \tiny{\text{丑}} & \tiny{\text{寅}} & \tiny{\text{卯}} & \tiny{\text{辰}} & \tiny{\text{巳}} & \tiny{\text{午}} & \tiny{\text{未}} & \tiny{\text{申}} & \tiny{\text{酉}} & \tiny{\text{戌}} & \tiny{\text{亥}}
\end{pmatrix} \\
= & \begin{pmatrix}
\tiny{\text{甲子}} & & \tiny{\text{甲寅}} & & \tiny{\text{甲辰}} & & \tiny{\text{甲午}} & & \tiny{\text{甲申}} & & \tiny{\text{甲戌}} & \\
& \tiny{\text{乙丑}} & & \tiny{\text{乙卯}} & & \tiny{\text{乙巳}} & & \tiny{\text{乙未}} & & \tiny{\text{乙酉}} & & \tiny{\text{乙亥}} \\
\tiny{\text{丙子}} & & \tiny{\text{丙寅}} & & \tiny{\text{丙辰}} & & \tiny{\text{丙午}} & & \tiny{\text{丙申}} & & \tiny{\text{丙戌}} & \\
& \tiny{\text{丁丑}} & & \tiny{\text{丁卯}} & & \tiny{\text{丁巳}} & & \tiny{\text{丁未}} & & \tiny{\text{丁酉}} & & \tiny{\text{丁亥}} \\
\tiny{\text{戊子}} & & \tiny{\text{戊寅}} & & \tiny{\text{戊辰}} & & \tiny{\text{戊午}} & & \tiny{\text{戊申}} & & \tiny{\text{戊戌}} & \\
& \tiny{\text{己丑}} & & \tiny{\text{己卯}} & & \tiny{\text{己巳}} & & \tiny{\text{己未}} & & \tiny{\text{己酉}} & & \tiny{\text{己亥}} \\
\tiny{\text{庚子}} & & \tiny{\text{庚寅}} & & \tiny{\text{庚辰}} & & \tiny{\text{庚午}} & & \tiny{\text{庚申}} & & \tiny{\text{庚戌}} & \\
& \tiny{\text{辛丑}} & & \tiny{\text{辛卯}} & & \tiny{\text{辛巳}} & & \tiny{\text{辛未}} & & \tiny{\text{辛酉}} & & \tiny{\text{辛亥}} \\
\tiny{\text{壬子}} & & \tiny{\text{壬寅}} & & \tiny{\text{壬辰}} & & \tiny{\text{壬午}} & & \tiny{\text{壬申}} & & \tiny{\text{壬戌}} & \\
& \tiny{\text{癸丑}} & & \tiny{\text{癸卯}} & & \tiny{\text{癸巳}} & & \tiny{\text{癸未}} & & \tiny{\text{癸酉}} & & \tiny{\text{癸亥}}
\end{pmatrix}
\end{aligned}
$$

注意:按照严格的干支纪年法,只有阴阳才能相配,一共有 60 个组合,即“六十甲子”. 因此,在上面的向量乘法运算中,用空位表示不属于六十甲子的组合.


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2021年考研数二第14题解析(版本 2):二重积分的计算、交换积分次序

一、题目

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