Несобственные интегралы

разделов
от теории до практики
примеров
Примеры решения задач
видео
Примеры решения задач
Содержание
  1. Определение несобственных интегралов.
    Начать изучение
  2. Интеграл на бесконечном промежутке.
    Начать изучение
  3. Интеграл на конечном промежутке.
    Начать изучение
  4. Другие типы несобственных интегралов.
    Начать изучение
  5. Свойства и вычисление несобственных интегралов.
    Начать изучение
  6. Линейность интеграла.
    Начать изучение
  7. Формула Ньютона-Лейбница.
    Начать изучение
  8. Интегрирование по частям.
    Начать изучение
  9. Замена переменного.
    Начать изучение
  10. Интегрирование неравенств.
    Начать изучение
  11. Несобственные интегралы от неотрицательных функций.
    Начать изучение
  12. Критерий Коши сходимости несобственных интегралов.
    Начать изучение
  13. Абсолютно и условно сходящиеся интегралы.
    Начать изучение
  14. Признаки Дирихле и Абеля сходимости интегралов.
    Начать изучение

Определение несобственных интегралов.

Интеграл Римана был введен для ограниченных на отрезке функций. Естественно поставить вопрос о распространении понятия интеграла на случай бесконечного промежутка, а также на случай, когда подынтегральная функция является неограниченной.

Интеграл на бесконечном промежутке.

Рассмотрим функцию \(\displaystyle\frac{1}{1+x^{2}}\). Эта функция непрерывна на отрезке \([0,\xi]\) при любом \(\xi \geq 0\), и поэтому существует интеграл \(J(\xi) = \displaystyle\int\limits_0^{\xi} \frac{dx}{1+x^{2}} = \operatorname{arctg} \xi\), откуда следует, что \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow \infty} J(\xi) = \frac{\pi}{2}\). В этом случае пишут \(\displaystyle\int\limits_0^{+\infty} \frac{dx}{1+x^{2}} = \frac{\pi}{2}\), а символ \(\displaystyle\int\limits_0^{+\infty} \frac{dx}{1+x^{2}}\) называют несобственным интегралом от функции \(\displaystyle\frac{1}{1+x^{2}}\) на бесконечном промежутке \([0, +\infty)\).

Число \(\displaystyle\frac{\pi}{2}\) — можно интерпретировать как площадь фигуры, ограниченной графиком функции \(y = \displaystyle\frac{1}{1+x^{2}},\ x \geq 0\), и координатными осями (рис. 38.1).

Рис. 38.1
Рис. 38.1

Рассмотрим несобственный интеграл на бесконечном промежутке от функции \(f\).

Определение 1.

Пусть функция \(f(x)\) определена при \(x \geq a\), где \(a\) — заданное число, и интегрируема на отрезке \([a,\xi]\) при любом \(\xi \geq a\). Тогда символ \(\displaystyle\int\limits_a^{+\infty} f(x)\ dx\) будем называть несобственным интегралом от функции \(f\) на промежутке \([0, +\infty)\). Если существует конечный \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow +\infty} \int\limits_a^{+\infty} f(x)\ dx = A\), то говорят, что несобственный интеграл \(\displaystyle\int\limits_a^{+\infty} f(x)\ dx\) сходится и равен \(A\), а функцию \(f\) называют интегрируемой в несобственном смысле на промежутке \([a, +\infty)\). Таким образом, сходящийся несобственный интеграл от функции \(f\) на промежутке \([a, +\infty)\) определяется равенством
$$
\int\limits_a^{+\infty} f(x)\ dx = \lim_{\xi \rightarrow +\infty} \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx.\label{ref1}
$$

Если функция \(\displaystyle\int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx\) не имеет конечного предела при \(\xi \rightarrow +\infty\), то говорят, что несобственный интеграл \(\displaystyle\int\limits_a^{+\infty} f(x)\ dx\) расходится.

Замечание 1.

Сходимость интеграла \eqref{ref1} равносильна сходимости интеграла \(\displaystyle\int\limits_c^{+\infty} f(x)\ dx\), где \(c\) — любое число из промежутка \((a, +\infty)\), так как
$$
\int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx = \int\limits_a^c f(x)\ dx+\int\limits_c^{\xi} f(x)\ dx.\nonumber
$$

Интеграл на бесконечном промежутке вида \((-\infty, a)\) определяется аналогично:
$$
\int\limits_{-\infty}^a f(x)\ dx = \lim_{\xi \rightarrow -\infty} \int\limits_{\xi}^a f(x)\ dx.\label{ref2}
$$

Пример 1.

Показать, что интеграл \(J = \displaystyle\int\limits_{-\infty}^0 xe^{-x^{2}}\ dx\) сходится, и вычислить этот интеграл.

Решение.

\(\vartriangle\) Обозначим \(F(\xi) = \displaystyle\int\limits_{-\infty}^0 xe^{-x^{2}}\ dx\). Тогда
$$
F(\xi) = \frac{1}{2} \int\limits_0^{\xi} e^{-x^{2}}\ d(-x^{2}) = \left.\frac{1}{2} e^{-x^{2}}\right|_{0}^{\xi} = \frac{1}{2}(e^{-\xi^{2}}-1).\nonumber
$$
Так как существует конечный \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow -\infty} F(\xi) =-\frac{1}{2}\), то согласно определению \eqref{ref2} интеграл \(J\) существует, причем \(J =-\displaystyle\frac{1}{2}\). \(\blacktriangle\)

Определим, наконец, несобственный интеграл на промежутке \(\mathbb{R}\):
$$
\int\limits_{-\infty}^{+\infty} f(x)\ dx = \lim_{\xi \rightarrow -\infty\\\eta \rightarrow +\infty} \int\limits_{\xi}^{\eta} f(x)\ dx.\label{ref3}
$$
В этом случае предполагается, что функция \(f\) интегрируема (по Риману) на любом отрезке действительной оси, а интеграл \(\displaystyle\int\limits_{-\infty}^{+\infty} f(x)\ dx\) называется сходящимся в случае существования конечного предела \eqref{ref3}, причем этот предел не должен зависеть от того, каким способом \(\xi\) и \(\eta\) стремятся соответственно к \(-\infty\) и к \(+\infty\). Иначе говоря, интеграл сходится тогда и только тогда, когда существуют конечные пределы \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow -\infty} \int\limits_{\xi}^a f(x)\ dx = J_{1}\) и \(\displaystyle\lim_{\eta \rightarrow +\infty} \int\limits_a^{\eta} f(x)\ dx = J_{2}\), где \(a \in \mathbb{R}\), и при этом несобственный интеграл по определению равен \(J_{1}+J_{2}\), то есть
$$
\int\limits_{-\infty}^{+\infty} f(x)\ dx = \int\limits_{-\infty}^a f(x)\ dx+\int\limits_a^{+\infty} f(x)\ dx.\nonumber
$$

Пример 2.

Показать, что интеграл \(J = \int\limits_{-\infty}^{+\infty} \frac{dx}{1+x+x^{2}}\) сходится, и вычислить этот интеграл.

Решение.

\(\vartriangle\) Обозначим \(F(\xi, \eta) = \displaystyle\int\limits_{\xi}^{\eta} \frac{dx}{1+x+x^{2}}\), тогда
$$
F(\xi, \eta) = \int\limits_{\xi}^{\eta} \frac{\displaystyle d\left(x+\frac{1}{2}\right)}{\displaystyle \left(x+\frac{1}{2}\right)^{2}+\frac{3}{4}} = \left.\frac{2}{\sqrt{3}}\operatorname{arctg} \frac{2x+1}{\sqrt{3}}\right|_{\xi}^{\eta} =\\= \frac{2}{\sqrt{3}} \left(\operatorname{arctg} \frac{2\eta+1}{\sqrt{3}}-\operatorname{arctg} \frac{2\xi+1}{\sqrt{3}}\right).\nonumber
$$
Так как \(\displaystyle\lim_{t \rightarrow +\infty} \operatorname{arctg} t = \frac{\pi}{2}\), а \(\displaystyle\lim_{t \rightarrow -\infty} \operatorname{arctg} t = -\frac{\pi}{2}\), то существует конечный \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow -\infty\\\eta \rightarrow +\infty} F(\xi, \eta) = \frac{2}{\sqrt{3}} \left(\frac{\pi}{2}-\left(-\frac{\pi}{2}\right)\right) = \frac{2\pi}{\sqrt{3}}\), то есть несобственный интеграл сходится, причем \(J = \displaystyle\frac{2\pi}{\sqrt{3}}\). \(\blacktriangle\)

Пример 3.

Исследовать на сходимость интеграл
$$
J(\alpha) = \int\limits_1^{+\infty} \frac{dx}{x^{\alpha}}.\label{ref4}
$$

Решение.

\(\vartriangle\) Пусть \(a \neq 1\), тогда
$$
\int\limits_1^{\xi} \frac{dx}{x^{\alpha}} = \left.\frac{x^{1-\alpha}}{1-\alpha}\right|_{1}^{\xi} = \frac{\xi^{1-\alpha}}{1-\alpha}-\frac{1}{1-\alpha}.\nonumber
$$
Если \(\alpha > 1\), то существует конечный \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow -\infty} \int\limits_1^{\xi} \frac{dx}{x^{\alpha}} = \frac{1}{1-\alpha}\), то есть интеграл \eqref{ref4} сходится, причем \(J(\alpha) = \displaystyle\frac{1}{1-\alpha}\). Если \(\alpha < 1\), то \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow -\infty} \int\limits_1^{\xi} \frac{dx}{x^{\alpha}} = +\infty\), и поэтому интеграл \eqref{ref4} расходится. При \(a = 1\) интеграл также расходится, так как \(\displaystyle\int\limits_1^{\xi} \frac{dx}{x} = \ln \xi \rightarrow +\infty\) при \(\xi \rightarrow +\infty\).

Таким образом, интеграл \eqref{ref4} сходится при \(\alpha > 1\) и расходится при \(\alpha \leq 1\). \(\blacktriangle\)

Интеграл на конечном промежутке.

Рассмотрим функцию \(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{1-x}}\). Эта функция непрерывна на промежутке \([0, 1)\), но не ограничена на этом промежутке. При любом \(\xi \in [0, 1)\) функция \(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{1-x}}\) интегрируема на отрезке \([0, \xi]\), причем \(J(\xi) = \displaystyle\int\limits_0^{\xi} \frac{1}{\sqrt{1-x}} = -2\displaystyle\left.\sqrt{1-x}\right|_{0}^{\xi}=2(1-\sqrt{1-\xi})\), откуда следует, что существует конечный \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow 1-0} F(\xi) = 2\). В этом случае говорят, что несобственный интеграл от функции \(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{1-x}}\) на промежутке \([0, 1)\) равен 2, то есть \(\displaystyle\int\limits_0^1 \frac{1}{\sqrt{1-x}} = 2\). Число 2 можно интерпретировать как площадь заштрихованной на рис. 38.2 фигуры \(G\).

Рис. 38.2
Рис. 38.2

Обратимся к несобственному интегралу на конечном промежутке.

Определение.

Пусть функция \(f(x)\) определена на конечном промежутке \([a, b)\), интегрируема на отрезке \([a, \xi]\) при любом \(\xi \in [a, b)\).

Если существует конечный \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow b-0} \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx = A\), то говорят, что несобственный интеграл от функции \(f(x)\) на промежутке \([a, b)\) равен \(A\). Его обозначают символом \(\displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\). Таким образом, по определению
$$
\int\limits_a^b f(x)\ dx = \lim_{\xi \rightarrow b-0} \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx.\label{ref5}
$$

В случае существования конечного предела \eqref{ref5} несобственный интеграл \(\displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) называют сходящимся, в противном случае — расходящимся; символ \(\int\limits_a^b f(x)\ dx\) употребляют как в случае сходимости, так и в случае расходимости интеграла.

Аналогично, если функция \(f(x)\) определена на конечном промежутке \((a, b]\), интегрируема на отрезке \([\xi, b]\) при любом \(\xi \in (a, b]\), то символ \(\displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) называют несобственным интегралом от функции \(f\) на промежутке \((a, b]\).

Если существует конечный \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow a+0} \int\limits_{\xi}^b f(x)\ dx = A\), то говорят, что несобственный интеграл сходится и равен \(A\), то есть
$$
\int\limits_a^b f(x)\ dx = \lim_{\xi \rightarrow a+0} \int\limits_{\xi}^b f(x)\ dx.\label{ref6}
$$

Если функция \(\displaystyle\int\limits_{\xi}^b f(x)\ dx\) не имеет конечного предела при \(\xi \rightarrow a+0\), то несобственный интеграл называют расходящимся.

Замечание 2.

Определение \eqref{ref5} несобственного интеграла на конечном промежутке \([a, b)\) является содержательным лишь в случае, когда функция \(f\) неограничена на интервале \((b-\delta, b)\) при любом \(\delta > 0\). В самом деле, если функция \(f\) интегрируема на отрезке \([a, \xi]\) при любом \(\xi \in [a, b)\) и ограничена на \([a, b)\), то, доопределив эту функцию в точке \(b\), получим функцию, которая интегрируема по Риману на отрезке \([a, b]\). При этом интеграл от доопределенной функции равен пределу \eqref{ref5} и не зависит от значения функции в точке \(b\).

Поэтому в дальнейшем, рассматривая несобственный интеграл \eqref{ref5}, будем считать, что функция \(f\) является неограниченной на интервале \((b-\delta, b)\) при любом \(\delta > 0\), а точку \(b\) будем называть иногда особой точкой подынтегральной функции \(f\) или интеграла \eqref{ref5}.

Аналогично, рассматривая несобственный интеграл \eqref{ref6}, будем считать, что \(a\) — особая точка функции \(f\), то есть предполагать, что функция \(f\) неограничена на интервале \((a, a+\delta)\) при любом \(\delta > 0\).

Пример 4.

Исследовать на сходимость интеграл
$$
J = \int\limits_0^1 \frac{dx}{x^{\alpha}}.\nonumber
$$

Решение.

\(\vartriangle\) Обозначим \(F(\xi) = \displaystyle\int\limits_{\xi}^{1} \frac{dx}{x^{\alpha}}\), тогда
$$
F(\xi) = \left\{\begin{aligned}
\frac{1}{1-\alpha}(1-\xi^{1-\alpha}),\ \mbox{если}\ \alpha \neq 1 \\
-\ln \xi,\ \mbox{если}\ \alpha = 1.
\end{aligned} \right.\nonumber
$$
Поэтому при \(\alpha < 1\) существует конечный \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow +0} F(\xi) = \frac{1}{1-\alpha}\), а если \(\alpha \geq 1\), то \(F(\alpha;\xi) \rightarrow +\infty\) при \(\xi \rightarrow +\infty\).

Таким образом, интеграл сходится при \(\alpha < 1\) и расходится при \(\alpha \geq 1\). \(\blacktriangle\)

Замечание 3.

Сходимость несобственного интеграла \eqref{ref5} равносильна сходимости интеграла \(\displaystyle\int\limits_c^b f(x)\ dx\) при любом \(c \in (a, b)\), так как \(\displaystyle\int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx = \int\limits_a^c f(x)\ dx+\int\limits_c^{\xi} f(x)\ dx\).

Другие типы несобственных интегралов.

Если функция \(f\) определена на конечном интервале \((a, b)\), интегрируема по Риману на отрезке \([\xi, \eta]\) при любых \(\xi,\ \eta\) таких, что \(a < \xi \leq \eta < b\), то сходящийся несобственный интеграл от функции \(f\) на промежутке \((a, b)\) определяется формулой
$$
\int\limits_a^b f(x)\ dx = \lim_{\xi \rightarrow a+0\\\eta \rightarrow b-0} \int\limits_{\xi}^{\eta} f(x)\ dx.\label{ref7}
$$
при условии, что предел в правой части \eqref{ref7} существует и конечен.

Если функция \(f\) определена на отрезке \([a, b]\), за исключением точки \(c \in (a, b)\), и интегрируема на отрезках \([a, \xi]\) и \([\eta, b]\) при любых \(\xi,\ \eta\) таких, что \(a \leq \xi < c < \eta \leq b\), то несобственный интеграл от функции \(f\) на промежутке \([a, b]\) обозначается \(\displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) и определяется равенством
$$
\int\limits_a^b f(x)\ dx = \lim_{\xi \rightarrow c-0} \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx+\lim_{\eta \rightarrow c+0} \int\limits_{\eta}^b f(x)\ dx.\label{ref8}
$$
при условии, что оба предела в правой части \eqref{ref8} существуют и конечны. В этом случае интеграл \(\displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) называют сходящимся и пишут
$$
\int\limits_a^b f(x)\ dx = \int\limits_a^c f(x)\ dx+\int\limits_c^b f(x)\ dx\nonumber
$$

Если функция \(f\) определена на конечном или бесконечном промежутке \((a, b)\), за исключением точек \(x_{k}\ (k = \overline{1, m})\), где \(a = x_{0} < x_{1} < \ldots < x_{m} = b\), то несобственный интеграл \(\displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) понимается как сумма несобственных интегралов по промежуткам \(\Delta_{k} = (x_{k-1}, x_{k}),\ k = \overline{1, m}\), и считается сходящимся в том и только том случае, когда сходятся интегралы по всем промежуткам \(\Delta_{k}\).


Свойства и вычисление несобственных интегралов.

Будем рассматривать несобственные интегралы вида \(\displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) предполагая, что:

  • функция \(f\) определена на промежутке \([a, b)\), где \(a\) — конечная точка, \(b\) — либо конечная точка, либо символ \(+\infty\);
  • функция \(f\) интегрируема по Риману на отрезке \([a, \xi]\) при любом \(\xi \in [a, b)\).

Согласно определению сходящегося несобственного интеграла
$$
\int\limits_a^b f(x)\ dx = \lim_{\xi \rightarrow b-0} \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx,\ \mbox{если}\ b \neq +\infty,\nonumber
$$
$$
\int\limits_a^{+\infty} f(x)\ dx = \lim_{\xi \rightarrow +\infty} \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx\ \mbox{если}\ b = +\infty.\nonumber
$$

Линейность интеграла.

Утверждение 1.

Если сходятся несобственные интегралы от функций \(f(x)\) и \(g(x)\) на промежутке \([a, b)\), то при любых \(\lambda, \mu \in \mathbb{R}\) сходится интеграл от функции \(\lambda f(x)+\mu g(x)\) на том же промежутке и выполняется равенство
$$
\int\limits_a^{\xi} (\lambda f(x)+\mu g(x))\ dx = \lambda \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx+\mu \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx,\label{ref9}
$$

Доказательство.

\(\circ\) Для любого \(\xi \in [a, b)\) в силу свойств интеграла Римана справедливо равенство
$$
\int\limits_a^{\xi} (\lambda f(x)+\mu g(x))\ dx = \lambda \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx+\mu \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx,\nonumber
$$
правая часть которого имеет по условию конечный предел при \(\xi \rightarrow b-0\), откуда следует существование предела при \(\xi \rightarrow b-0\) в левой части и справедливость формулы \eqref{ref9}. \(\bullet\)

Формула Ньютона-Лейбница.

Утверждение 2.

Если функция \(f(x)\) непрерывна на промежутке \([a, b)\) и если \(F(x)\) — первообразная для функции \(f(x)\), то несобственный интеграл \(\displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) сходится тогда и только тогда, когда существует конечный
$$
\lim_{\xi \rightarrow b-0} F(\xi) = F(b-0),\label{ref10}
$$
причем
$$
\int\limits_a^b f(x)\ dx = F(b-0)-F(a).\label{ref11}
$$

Доказательство.

\(\circ\) Так как функция \(f\) непрерывна на отрезке \([a, \xi]\) при любом \(\xi \in [a, b)\), то справедлива формула Ньютона-Лейбница
$$
\int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx = F(\xi)-F(a),\nonumber
$$
откуда, переходя к пределу при \(\xi \rightarrow b-0\) и используя соотношение \eqref{ref10}, получаем формулу \eqref{ref11}, которую называют формулой Ньютона Лейбница для несобственного интеграла.
Правую часть формулы \eqref{ref11} часто записывают в виде \(\displaystyle\left.F(x)\right|_{a}^{b-0}\), если \(b \neq +\infty\). Если \(b = +\infty\), то правую часть формулы \eqref{ref11} записывают в виде \(\displaystyle\left.F(x)\right|_{a}^{+\infty}\). \(\bullet\)

Пример 5.

Вычислить интегралы:

  1. \(J_{1} = \displaystyle\int\limits_0^{+\infty} \frac{\operatorname{arctg} x}{1+x^{2}}\ dx\);
  2. \(J_{2} = \displaystyle\int\limits_0^{+\infty} e^{-\alpha x} \cos \beta x\ dx,\ \mbox{где}\ \alpha > 0.\)

Решение.

  1. \(\vartriangle\) Так как \(\displaystyle\frac{\operatorname{arctg} x}{1+x^{2}}\ dx = \operatorname{arctg} x\ d(\operatorname{arctg} x) = d \left(\frac{\operatorname{arctg}^{2}x}{2}\right)\), то \(F(x) = \displaystyle\frac{(\operatorname{arctg} x)^{2}}{2}\) является первообразной для функции \(f(x)=\displaystyle\frac{\operatorname{arctg} x}{1+x^{2}}\) и по формуле \eqref{ref11} получаем \(J_{1} = \displaystyle\left.\frac{1}{2}(\operatorname{arctg} x)^{2}\right|_{0}^{+\infty} = \frac{\pi^{2}}{8}\), так как \(\operatorname{arctg} (+\infty) = \displaystyle\lim_{x \rightarrow +\infty} \operatorname{arctg} x = \frac{\pi}{2},\ \operatorname{arctg} 0 = 0\).
  2. Ранее было показано, что функция \(F(x) = \displaystyle\frac{\beta \sin \beta x-\alpha \cos \beta x}{\alpha^{2}+\beta^{2}}e^{-\alpha x}\) является первообразной для функции \(f(x) = e^{-\alpha x} \cos \beta x\). По формуле \eqref{ref11} находим \(J_{2} = F(x)\vert_{0}^{+\infty} = F(+\infty)-F(0)\), где \(F(0) = -\displaystyle\frac{\alpha}{\alpha^{2}+\beta^{2}},\ F(+\infty) = 0\), так как \(|\sin \beta x| \leq 1,\ |\cos \beta x| \leq 1\) для всех \(x \in \mathbb{R},\ \displaystyle\lim_{x \rightarrow +\infty} e^{-\alpha x}\) при \(\alpha > 0\). Следовательно, \(J_{2} = \displaystyle\frac{\alpha}{\alpha^{2}+\beta^{2}}\). \(\blacktriangle\)

Интегрирование по частям.

Утверждение 3.

Пусть функции \(u(x)\), \(v(x)\) определены на промежутке \([a, b)\), имеют непрерывные производные на отрезке \([a, \xi]\) для любого \(\xi \in (a, b)\). Если существует конечный предел
$$
\lim_{\xi \rightarrow b-0} [u(\xi)v(\xi)] = u(b-0)v(b-0) = uv|_{\xi = b-0},\label{ref12}
$$
и интеграл \(\displaystyle\int\limits_a^b vu’\ dx\) сходится, то и интеграл \(\displaystyle\int\limits_a^b uv’\ dx\) сходится и справедлива формула интегрирования по частям
$$
\int\limits_a^b uv’\ dx = uv|_{a}^{b-0}-\int\limits_a^b vu’\ dx.\label{ref13}
$$

Доказательство.

\(\circ\)Так как функции \(u'(x)\), \(v'(x)\) непрерывны на отрезке \([a, \xi]\) при любом \(\xi \in (a, b)\), то справедлива формула интегрирования по частям
$$
\int\limits_a^{\xi} uv’\ dx = u(\xi)v(\xi)-u(a)v(a)-\int\limits_a^{\xi} vu’\ dx.\label{ref14}
$$
Правая часть равенства \eqref{ref14} по условию имеет при \(\xi \rightarrow b-0\) конечный предел, равный правой части формулы \eqref{ref13}. Следовательно, существует конечный предел и в левой части \eqref{ref14}, то есть сходится интеграл \(\displaystyle\int\limits_a^b uv’\ dx\), и при этом справедлива формула \eqref{ref13}.

Отметим, что при наличии конечного предела \eqref{ref12} несобственные интегралы \(\displaystyle\int\limits_a^b vu’\ dx\) и \(\displaystyle\int\limits_a^b uv’\ dx\) сходятся или расходятся одновременно. \(\bullet\)

Пример 6.

Вычислить несобственный интеграл \(J = \displaystyle\int\limits_0^{+\infty} xe^{-x}\ dx\).

Решение.

\(\vartriangle\) Применяя формулу \eqref{ref13}, получаем
$$
J = \left.\int\limits_0^{+\infty} x(-e^{-x})’\ dx = -xe^{-x}\right|_{0}^{+\infty}+\int\limits_0^{+\infty} e^{-x}\ dx.\nonumber
$$
Так как \(xe^{-x} = 0\) при \(x = 0\), а \(\displaystyle\lim_{x \rightarrow +\infty} xe^{-x} = 0\), то \(J = \displaystyle\left.\int\limits_0^{+\infty} e^{-x}\ dx = -e^{-x}\right|_{0}^{+\infty} = 1\). \(\blacktriangle\)

Замена переменного.

Утверждение 4.

Если функция \(f(x)\) непрерывна на промежутке \([a, b)\), а функция \(x = \varphi(t)\) непрерывно дифференцируема на промежутке \([\alpha, \beta)\), строго возрастает и удовлетворяет условиям \(\displaystyle\varphi(\alpha) = a,\ \lim_{t \rightarrow \beta-0} \varphi(t) = b\), то справедлива формула замены переменного
$$
\int\limits_a^b f(x)\ dx = \int\limits_{\alpha}^{\beta} f(\varphi(t))\varphi'(t)\ dt.\label{ref15}
$$
при условии, что хотя бы один из интегралов в \eqref{ref15} сходится.

Доказательство.

\(\circ\) Пусть \(\tau \in [\alpha, \beta),\ \varphi(\tau) = \xi\). Тогда \(\varphi(\tau) \rightarrow b\) при \(\tau \rightarrow \beta-0\). Применяя формулу замены переменного для интеграла Римана, получаем
$$
\int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx = \int\limits_{\alpha}^{\tau} f(\varphi(t))\varphi'(t)\ dt.\label{ref16}
$$
Так как функция \(x = \varphi(t)\) строго возрастает и непрерывна на \([\alpha, \beta)\), то обратная функция строго возрастает и непрерывна на \([a, b)\). Поэтому если существует конечный предел при \(\tau \rightarrow \beta-0\) правой части равенства \eqref{ref16}, то существует конечный предел при \(\xi \rightarrow b\) в левой части (и наоборот), и при этом справедлива формула \eqref{ref16}. \(\bullet\)

Замечание 4.

Формула \eqref{ref15} остается справедливой и в случае, когда \(\alpha > \beta\), если функция \(\varphi(t)\) непрерывно дифференцируема на промежутке \((\beta, \alpha)\), строго убывает, причем \(a = \displaystyle\lim_{t \rightarrow \alpha-0} \varphi(t),\ b = \lim_{t \rightarrow \beta+0} \varphi(t)\). При этом по аналогии с интегралом Римана по определению полагают, что \(\displaystyle\int\limits_{\alpha}^{\beta} g(t)\ dt = -\int\limits_{\beta}^{\alpha} g(t)\ dt\) при \(\alpha > \beta\), если интеграл \(\displaystyle\int\limits_{\alpha}^{\beta}g(t)\ dt\) сходится.

Пример 7.

Вычислить интеграл \(J = \displaystyle\int\limits_0^{+\infty} \frac{dx}{(x^{2}+1)^{3/2}}\).

Решение.

\(\vartriangle\) Положим \(x = \operatorname{tg} t\), где \(0 < t < \displaystyle\frac{\pi}{2}\). Тогда \(dx = \displaystyle\frac{dt}{\cos^{2} t},\ x^{2}+1 = \frac{1}{\cos^{2} t},\ (x^{2}+1)^{-3/2} = \cos^{3} t\), поэтому \(J = \displaystyle\int\limits_0^{\pi/2} \cos t\ dt\). \(\blacktriangle\)

Пример 8.

Вычислить интеграл \(J = \displaystyle\int\limits_0^{+\infty} \frac{x^{2}+1}{(x^{4}+1)}\ dx\).

Решение.

\(\vartriangle\) Преобразуем интеграл \(J = \displaystyle\int\limits_0^{+\infty} \frac{(1+1/x^{2})dx}{(x-1/x)^{2}+2}\ dx\) и положим \(\displaystyle x-\frac{1}{x} = t\); тогда
$$
J = \int\limits_{-\infty}^{+\infty}\frac{dt}{t^{2}+2} = \left.\frac{1}{\sqrt{2}} \operatorname{arctg} \frac{t}{\sqrt{2}}\right|_{-\infty}^{+\infty} = \frac{\pi}{2}.\ \blacktriangle\nonumber
$$

Пример 9.

Вычислить интеграл \(J = \displaystyle\int\limits_0^{+\infty} \frac{dx}{x^{4}+1}\).

Решение.

\(\vartriangle\) Для вычисления интеграла можно использовать первообразную для подынтегральной функции \(f(x) = \displaystyle\frac{1}{x^{4}+1}\) (см. пример здесь). Рассмотрим другой способ вычисления, не требующий нахождения первообразной для функции \(f(x)\). Полагая \(x = \displaystyle\frac{1}{t}\), получаем
$$
J_{1} = -\int\limits_{+\infty}^0 \frac{dt}{t^{2}\left(1+\displaystyle\frac{1}{t^{4}}\right)} = \int\limits_0^{+\infty} \frac{t^{2}}{1+t^{4}} dt = \int\limits_0^{+\infty} \frac{x^{2}}{1+x^{4}} dx.
$$

Таким образом, \(J_{1} = \displaystyle\int\limits_0^{+\infty} \frac{dx}{x^{4}+1} = \int\limits_0^{+\infty} \frac{x^{2}}{1+x^{4}} dx\), откуда, используя пример 8, находим J\(J_{1} = \displaystyle\frac{1}{2} \int\limits_0^{+\infty} \frac{x^{2}+1}{(x^{4}+1)}\ dx = \frac{1}{2}J = \frac{\pi}{2\sqrt{2}}\) Итак, \(\displaystyle\int\limits_0^{+\infty} \frac{dx}{x^{4}+1} = \frac{\pi}{2\sqrt{2}}\). \(\blacktriangle\)

Интегрирование неравенств.

Утверждение 5.

Если сходятся интегралы \(\displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) и \(\displaystyle\int\limits_a^b g(x)\ dx\) и для всех \(x \in [a, b)\) выполняется неравенство
$$
f(x) \leq g(x),\nonumber
$$
то
$$
\int\limits_a^b f(x)\ dx \leq \int\limits_a^b g(x)\ dx.\label{ref17}
$$

Доказательство.

\(\circ\) Неравенство \eqref{ref17} получается из неравенства
$$
\int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx \leq \int\limits_a^{\xi} g(x)\ dx,\quad a \leq \xi \leq b,\nonumber
$$
с помощью перехода к пределу при \(\xi \rightarrow b-0\). \(\bullet\)

Несобственные интегралы от неотрицательных функций.

Будем рассматривать несобственные интегралы вида \(\displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) предполагая, что:

  • функция \(f\) определена на промежутке \([a, b)\), где \(a\) — конечная точка, \(b\) — либо конечная точка, либо символ \(+\infty\);
  • функция \(f\) интегрируема по Риману на отрезке \([a, \xi]\) при любом \(\xi \in [a, b)\).

Согласно определению сходящегося несобственного интеграла
$$
\int\limits_a^b f(x)\ dx = \lim_{\xi \rightarrow b-0} \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx,\ \mbox{если}\ b \neq +\infty,\nonumber
$$
$$
\int\limits_a^{+\infty} f(x)\ dx = \lim_{\xi \rightarrow +\infty} \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx\ \mbox{если}\ b = +\infty.\nonumber
$$

Теорема 1.

Если для всех \(x \in [a, b)\) выполняется неравенство
$$
f(x) \geq 0,\label{ref18}
$$
то для сходимости несобственного интеграла \(\displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) необходимо и достаточно, чтобы функция \(\int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx\) была ограничена сверху, то есть
$$
\exists\ C: \forall \xi \in [a,b) \rightarrow \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx \leq C.\label{ref19}
$$

Доказательство.

\(\circ\) Заметим, что \(F(\xi) = \displaystyle\int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx\) — возрастающая функция. В самом деле, из условия \eqref{ref18} и свойств интеграла Римана следует, что
$$
\forall\ \xi_{1},\ \xi_{2} \in [a, b): \xi_{2} > \xi_{1} \rightarrow F(\xi_{2})-F(\xi_{1}) = \int\limits_{\xi_{1}}^{\xi_{2}} f(x)\ dx \geq 0.\nonumber
$$

Если интеграл \(\displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) сходится, то есть существует конечный \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow b-0} F(\xi) = \int\limits_a^b f(x)\ dx = J\), то по теореме о пределе монотонной функции \(J = \sup_{a \leq \xi \leq b} F(\xi)\), откуда согласно определению точной верхней грани следует, что для всех \(\xi \in [a, b)\) справедливо неравенство
$$
\int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx \leq \int\limits_a^b f(x)\ dx,\nonumber
$$
то есть выполняется условие \eqref{ref19}.

Обратно: если выполняется условие \eqref{ref19}, то в силу теоремы о пределе монотонной функции (\(F\) — возрастающая функция) существует конечный
$$
\lim_{\xi \rightarrow b-0} F(\xi) = F(b-0) = \sup_{a \leq \xi \leq b} F(\xi),\nonumber
$$
то есть интеграл \(\displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) сходится. \(\bullet\)

Теорема сравнения.

Если для всех \(x \in [a, b)\) выполняется условие
$$
0 \leq f(x) \leq g(x),\label{ref20}
$$
то:

  1. из сходимости интеграла \(J_{2} = \displaystyle\int\limits_a^b g(x)\ dx\) следует сходимость интеграла \(J_{1} = \displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\);
  2. из расходимости интеграла \(J_{1}\) следует расходимость интеграла \(J_{2}\).

Доказательство.

  1. \(\circ\) Из условия \eqref{ref20} в силу правила оценки интеграла Римана следует, что
    $$
    \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx \leq \int\limits_a^{\xi} g(x)\ dx,\quad \xi \in [a, b).\label{ref21}
    $$
    Если сходится интеграл \(\displaystyle\int\limits_a^b g(x)\ dx\), то есть существует конечный \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow b-0} \int\limits_a^{\xi} g(x)\ dx = J_{2}\), где \(J_{2} = \displaystyle\sup_{a \leq \xi \leq b} \int\limits_a^{\xi} g(x)\ dx\) (теорема 1), то из \eqref{ref21} следует, что для любого \(\xi \in [a, b)\) выполняется неравенство \(\displaystyle\int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx \leq J_{2}\). Таким образом, для неотрицательной функции \(f(x)\) выполняется условие \eqref{ref19}, и по теореме 1 интеграл \(J_{1}\) сходится.
  2. Если интеграл \(J_{1}\) расходится, то интеграл \(J_{2}\) тоже должен расходиться: в случае сходимости интеграла \(J_{2}\) сходился бы по доказанному выше интеграл \(J_{1}\). \(\bullet\)

Пример 10.

Исследовать на сходимость интеграл
$$
\int\limits_1^{+\infty} \frac{\cos^{4} 3x}{\sqrt[5]{1+x^{6}}}dx.\nonumber
$$

Решение.

\(\vartriangle\) Так как \(\displaystyle0 \leq \frac{\cos^{4} 3x}{\sqrt[5]{1+x^{6}}} \leq \frac{1}{x^{6/5}}\) при \(x \geq 1\), то по теореме сравнения из сходимости интеграла \(\displaystyle\int\limits_1^{+\infty} \frac{dx}{x^{6/5}}\) (мы уже исследовали этот интеграл на сходимость здесь) следует сходимость интеграла \(J\). \(\blacktriangle\)

Следствие.

Если для всех \(x \in [a, b)\) выполняются условия
$$
f(x) > 0,\qquad g(x) > 0,\label{ref22}
$$
и, кроме того,
$$
f(x) ~ g(x)\ \mbox{при}\ x \rightarrow b-0,\label{ref23}
$$
то интегралы \(J_{1} = \displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) и \(J_{2} = \displaystyle\int\limits_a^b g(x)\ dx\) сходятся или расходятся одновременно.

\(\circ\) Если выполнены условия \eqref{ref22} и \eqref{ref23}, то \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow b-0} \frac{f(x)}{g(x)} = 1\), то есть
$$
\forall \varepsilon > 0\ \exists \delta (\varepsilon) \in [a, b): \forall x \in  [\delta (\varepsilon), b) \rightarrow \left|\frac{f(x)}{g(x)}-1\right| < \varepsilon.\nonumber
$$
Полагая здесь \(\varepsilon = \displaystyle\frac{1}{2}\), найдем число \(\displaystyle\delta\left(\frac{1}{2}\right) = c\) такое, что
$$
\frac{1}{2} < \frac{f(x)}{g(x)} < \frac{3}{2},\quad x \in [c, b),\quad a \leq c < b.\label{ref24}
$$
Неравенство \eqref{ref24} в силу условия \(g(x) > 0\) равносильно неравенству
$$
\frac{1}{2}g(x) < f(x) < \frac{3}{2}g(x),\quad x \in [c, b).\label{ref25}
$$
Так как функции \(f\) и \(g\) не имеют особых точек на промежутке \([a, b)\), то интегралы \(J_{1}\) и \(J_{2}\) сходятся тогда и только тогда, когда сходятся интегралы соответственно от функций \(f\) и \(g\) на промежутке \([c, b)\), где \(a \leq c < b\) (см. замечание 3).

Если сходится интеграл \(J_{2}\) (а значит, и интеграл \(\displaystyle\int\limits_c^b g(x)\ dx\)), то из правого неравенства \eqref{ref25} по теореме сравнения следует сходимость интеграла от \(f\) на промежутке \([c, b)\), а это равносильно сходимости интеграла \(J_{1}\). Аналогично из левого неравенства \eqref{ref25} заключаем, что из сходимости интеграла \(J_{1}\) следует сходимость интеграла \(J_{2}\).

Если же один из интегралов \(J_{1}\) или \(J_{2}\) расходится, то расходится и другой (это доказывается методом от противного на основе теоремы сравнения). \(\bullet\)

В частности, если функция \(f(x)\) интегрируема на отрезке \([a, \xi]\) при любом \(\xi \geq a\) и если
$$
f(x) \sim \frac{A}{x^{\alpha}}\ \mbox{при}\ x \rightarrow +\infty,\ \mbox{где}\ A \neq 0,\nonumber
$$
то интеграл \(\displaystyle\int\limits_a^{+\infty} f(x)\ dx\) сходится при \(\alpha > 1\) и расходится при \(\alpha \leq 1\).

Пример 11.

Исследовать на сходимость интеграл
$$
\int\limits_a^{+\infty} \frac{dx}{x^{\alpha} \ln^{\beta}x}.\label{ref26}
$$

Решение.

\(\triangle\) Рассмотрим три возможных случая: \(\alpha > 1\), \(\alpha = 1\), \(\alpha < 1\).

  1. Первый случай: \(\alpha > 1\).Если \(\alpha > 1\), то \(\alpha = 1+2\delta\), где \(\delta > 0\). Представим подынтегральную функцию \(f(x)\) в следующем виде:
    $$
    f(x) = \frac{1}{x^{1+ \delta}}g(x),\ \mbox{где}\ g(x) = \frac{dx}{x^{\delta} \ln^{\beta}x}.\nonumber
    $$Так как \(\displaystyle\lim_{\xi \rightarrow +\infty} x^{\alpha} \ln^{\beta}x = +\infty\) при \(\alpha > 0\) и любом \(\beta\) (см. пример 5 здесь), то существует число \(x_{0} > 2\) такое, что \(0 < g(x) < 1\) при всех \(x \geq x_{0}\). Поэтому \(\displaystyle0 < f(x) < \frac{1}{x^{1+ \delta}}\) при \(x \in [x_{0}, +\infty)\), и из сходимости интеграла \(\displaystyle\int\limits_{x_{0}}^{+\infty} \frac{dx}{x^{1+ \delta}}\), где \(x_{0} > 2\), \(\delta > 0\), по теореме сравнения следует сходимость интеграла от \(f\) на промежутке \([x_{0}, +\infty)\), а это равносильно сходимости интеграла \(J\). Итак, если \(\alpha > 1\), то интеграл \(f\) сходится при любом \(\beta\).
  2. Второй случай: \(\alpha = 1\).В этом случае \(J = \displaystyle\int\limits_2^{+\infty} \frac{dx}{x \ln^{\beta}x} = \int\limits_{\ln 2}^{+\infty} \frac{dt}{t^{\beta}}\). Поэтому при \(\alpha = 1\) интеграл \(J\) сходится, если \(\beta > 1\), и расходится при \(\beta \leq 1\) (пример 3).
  3. Третий случай: \(\alpha < 1\).Если \(\alpha < 1\), то \(\alpha = 1-2\delta\), где \(\delta > 0\). Запишем подынтегральную функцию \(f(x)\) в виде \(f(x) = \displaystyle\frac{g(x)}{x^{1-\delta}}\), где \(g(x) = x^{\delta}(\ln x)^{-\beta} \rightarrow +\infty\) при \(x \rightarrow +\infty\), откуда следует, что \(g(x) > 1\) при \(x \geq x_{0} > 2\). Поэтому \(f(x) > \displaystyle\frac{1}{x^{1-\delta}}\) при \(x \geq x_{0}\) и по теореме сравнения из расходимости интеграла \(\displaystyle\int\limits_{x_{0}}^{+\infty} \frac{dx}{x^{1-\delta}}\), где \(\delta > 0\), следует расходимость интеграла от \(f\) на промежутке \([x_{0}, +\infty)\), откуда заключаем, что интеграл \(J\) расходится.Итак, интеграл расходится, если \(\alpha < 1\).

Таким образом, интеграл \eqref{ref26} сходится при \(\alpha > 1\) (\(\beta\) любое) и при \(\alpha = 1\), если \(\beta < 1\), и расходится при других значениях \(\alpha\) и \(\beta\). \(\blacktriangle\)

Можно также показать, что несобственный интеграл
$$
J = \int\limits_{0}^{1/2} \frac{dx}{x^{\alpha}|\ln x|^{\beta}}\ dx.\label{ref2601}
$$
сходится при \(\alpha < 1\) (\(\beta\) любое) и при \(\alpha = 1\), если \(\beta > 1\), и расходится при других значениях \(\alpha\) и \(\beta\).

Пример 12.

Исследовать на сходимость интеграл
$$
J = \int\limits_{x_{0}}^{+\infty} \frac{\ln (e^{x}-x)}{x^{\alpha}}\ dx.\nonumber
$$

Решение.

\(\vartriangle\) Подынтегральная функция \(f(x) = \displaystyle\frac{\ln (e^{x}-x)}{x^{\alpha}}\) неотрицательна при \(x > 0\), так как \(e^{x} > 1+x\) при \(x > 0\), и непрерывна на промежутке \((0, +\infty)\). Интеграл \(J\) сходится тогда и только тогда, когда сходятся интегралы \(J_{1} = \displaystyle\int\limits_0^1 f(x)\ dx\) и \(J_{2} = \displaystyle\int\limits_1^{+\infty} f(x)\ dx\).

  1. Исследуем поведение функции при \(x \rightarrow 0\).Так как \(e^{x} = 1+x+\displaystyle\frac{x^{2}}{2}+o(x^{2})\) при \(x \rightarrow 0\), \(\ln(1+t) = t+o(t)\) при \(t \rightarrow 0\), то \(\ln (e^{x}-x) = \displaystyle\ln \left(1+\frac{x^{2}}{2}+o(x^{2})\right) = \frac{x^{2}}{2}+o(x^{2})\), и поэтому \(f(x) \sim \displaystyle\frac{1}{2x^{\alpha-2}}\). Следовательно, интеграл \(J_{1}\) сходится тогда и только тогда, когда \(\alpha-2 < 1\), то есть при \(\alpha < 3\).
  2. Пусть \(x \rightarrow +\infty\).Тогда \(e^{x}-x = e^{x}(1-xe^{-x}) = e^{x}(1+o(1))\), откуда \(\ln (e^{x}-x) = x+\ln (1+o(1)) = x+o(1)\) при \(x \rightarrow +\infty\), \(f(x) \sim \displaystyle\frac{1}{x^{\alpha-1}}\) при \(x \rightarrow +\infty\). Так как интеграл \(\displaystyle\int\limits_1^{+\infty}\frac{dx}{x^{\beta}}\) сходится при \(\beta > 1\) и расходится при \(\beta \leq 1\), то интеграл \(J_{2}\) сходится тогда и только тогда, когда \(\alpha-1 > 1\), то есть при \(\alpha > 2\).

Таким образом, интеграл \(J\) сходится в том и только том случае, когда выполняются условия \(\alpha < 3\) и \(\alpha > 2\), то есть при \(2 < \alpha < 3\). \(\blacktriangle\)

Пример 13.

Исследовать на сходимость интеграл
$$
J = \int\limits_0^{+\infty} \frac{\ln (1+x^{\alpha})}{\sqrt{x+\sqrt{x}}}\ dx.\nonumber
$$

Решение.

\(\vartriangle\) Подынтегральная функция \(f(x)\) положительна и непрерывна на интервале (0,1). Интеграл \(J\) сходится тогда и только тогда, когда сходятся интегралы от \(f(x)\) по промежуткам (0,1) и (1, \(+\infty\)). Обозначим эти интегралы \(J_{1}\) и \(J_{2}\) соответственно.

  1. Если \(x \rightarrow 0\), то \(\displaystyle\sqrt{x+\sqrt{x}} = \sqrt{\sqrt{x}(1+\sqrt{x})} = \sqrt[4]{x}(1+\sqrt{x})^{1/2} \sim \sqrt[4]{x}\). Учитывая, что \(\ln (1+t) \sim t\) при \(t \rightarrow 0\), \(\ln (1+u) \sim \ln u\) и при \(u \rightarrow +\infty\), получаем следующие асимптотические формулы для \(f(x)\) при \(x \rightarrow +0\):
    $$
    f(x) \sim \left\{\begin{aligned}
    x^{\alpha-1/4},\ \mbox{при}\ \alpha > 0, \\
    x^{-1/4} \ln 2,\ \mbox{при}\ \alpha = 0,\\
    \alpha x^{-1/4}\ \ln x,\ \mbox{при}\ \alpha < 0.
    \end{aligned} \right.\nonumber
    $$
    Используя результат \eqref{ref2601}, получаем: интеграл \(J_{1}\) сходится при всех значениях \(\alpha\).
  2. Если \(x \rightarrow +\infty\), то \(\displaystyle\sqrt{x+\sqrt{x}} = \sqrt{x(1+x^{-1/2})} \sim \sqrt{x}\), и поэтому
    \begin{equation*}
    f(x) \sim \left\{\begin{aligned}
    \alpha x^{-1/2}\ \ln x,\ \mbox{при}\ \alpha > 0, \\
    x^{-1/2} \ln 2,\ \mbox{при}\ \alpha = 0,\\
    x^{\alpha-1/2},\ \mbox{при}\ \alpha < 0.
    \end{aligned} \right.\nonumber
    \end{equation*}
    Отсюда следует, что интеграл \(J_{2}\) сходится, если \(\displaystyle\frac{1}{2}-\alpha > 1\), то есть при \(\alpha < -\frac{1}{2}\).

Таким образом, интеграл \(J\) сходится при \(\alpha < -\frac{1}{2}\) и расходится при прочих значениях \(\alpha\). \(\blacktriangle\)

Критерий Коши сходимости несобственных интегралов.

Будем рассматривать несобственные интегралы вида \(\displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) предполагая, что:

  • функция \(f\) определена на промежутке \([a, b)\), где \(a\) — конечная точка, \(b\) — либо конечная точка, либо символ \(+\infty\);
  • функция \(f\) интегрируема по Риману на отрезке \([a, \xi]\) при любом \(\xi \in [a, b)\).

Согласно определению сходящегося несобственного интеграла
$$
\int\limits_a^b f(x)\ dx = \lim_{\substack{\xi \rightarrow b-0}} \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx,\ \mbox{если}\ b \neq +\infty,\nonumber
$$
$$
\int\limits_a^{+\infty} f(x)\ dx = \lim_{\substack{\xi \rightarrow +\infty}} \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx\ \mbox{если}\ b = +\infty.\nonumber
$$

Теорема 3.

Для сходимости несобственного интеграла
$$
J = \int\limits_a^b f(x)\ dx\nonumber
$$
необходимо и достаточно, чтобы выполнялось условие Коши
$$
\forall \varepsilon > 0\ \exists \delta_{\varepsilon} \in (a, b): \forall \xi’, \xi″ \in (\delta_{\varepsilon}, b) \rightarrow \left|\int\limits_{\xi’}^{\xi″} f(x)\ dx\right| < \varepsilon.\label{ref27}
$$

Доказательство.

\(\circ\) Обозначим
$$
F(\xi) = \int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx,\ a \leq \xi < b.\label{ref28}
$$
Тогда сходимость интеграла \(J\) означает существование конечного предела функции \(F(\xi)\) при \(\xi \rightarrow b-0\), а этот предел, согласно критерию Коши для функций, существует в том и только том случае, когда функция \(F\) удовлетворяет условию
$$
\forall \varepsilon > 0\ \exists \tilde{\delta}_{\varepsilon} \in (a, b): \forall \xi’, \xi″ \in (\tilde{\delta}_{\varepsilon}, b) \rightarrow \left|F(\xi″)-F(\xi’)\right| < \varepsilon.\label{ref29}
$$

Из формулы \eqref{ref29} в силу свойств интеграла следует, что
$$
F(\xi″)-F(\xi’) = \int\limits_{\xi’}^{\xi″} f(x)\ dx.\nonumber
$$
Поэтому условие \eqref{ref29}, являясь необходимым и достаточным для сходимости интеграла \(J\), выполняется тогда и только тогда, когда выполняется условие \eqref{ref27}, если взять \(\tilde{\delta}_{\varepsilon} = \delta_{\varepsilon}\). \(\bullet\)

Замечание 5.

Если условие Коши \eqref{ref27} не выполняется, то есть
$$
\exists \varepsilon_{0} > 0\ \forall \delta_{\varepsilon} \in (a, b): \exists \xi_{\delta}’, \xi_{\delta}″ \in (\delta_{\varepsilon}, b) \rightarrow \left|\int\limits_{\xi_{\delta}’}^{\xi_{\delta}″} f(x)\ dx\right| \geq \varepsilon_{0},\label{ref30}
$$
то интеграл \(\displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) расходится.

Пример 14.

Исследовать на сходимость интеграл
$$
J(\alpha) = \int\limits_1^{+\infty} \frac{\sin^{2} x}{x^{\alpha}}\ dx.\label{ref31}
$$

Решение.

  1. \(\vartriangle\) Если \(\alpha > 1\), то интеграл \(J\) сходится, так как \(\displaystyle 0 \leq \frac{\sin^{2} x}{x^{\alpha}} \leq \frac{1}{x^{\alpha}}\).
  2. Докажем, что при \(\alpha \geq 1\) интеграл расходится. Достаточно показать, что для этого интеграла выполняется условие \eqref{ref30}. Для \(\delta > 1\) выберем число \(n \in \mathbb{N}\) таким, чтобы выполнялось неравенство \(\pi n > \delta\), и возьмем \(\xi_{\delta}’ = \pi n\), \(\xi_{\delta}″ = 2\pi n\), тогда
    $$
    \left|\int\limits_{\xi_{\delta}’}^{\xi_{\delta}″} \frac{\sin^{2} x}{x^{\alpha}}\ dx\right| = \int\limits_{\pi n}^{2\pi n} \frac{\sin^{2} x}{x^{\alpha}}\ dx \geq \int\limits_{\pi n}^{2\pi n} \frac{\sin^{2} x}{x}\ dx \geq\\ \geq \frac{1}{2\pi n} \int\limits_{\pi n}^{2\pi n} \frac{1-\cos 2x}{2}\ dx = \frac{1}{4\pi n}\pi n = \frac{1}{4} = \varepsilon_{0}.\nonumber
    $$
    Таким образом, условие \eqref{ref30} выполняется, и поэтому при \(\alpha \geq 1\) интеграл \eqref{ref31} расходится. \(\blacktriangle\)

Замечание 6.

Так как \(|\sin x| \geq \sin^{2} x\), то по теореме сравнения из расходимости интеграла \eqref{ref31} при \(\alpha \leq 1\) следует, что интеграл \(\displaystyle\int\limits_1^{+\infty} \frac{\sin^{2} x}{x^{\alpha}}\ dx\) расходится при \(\alpha \leq 1\).


Абсолютно и условно сходящиеся интегралы.

Несобственный интеграл \(J = \displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) называется:

  • абсолютно сходящимся, если сходится интеграл \(\tilde{J} = \int\limits_a^b |f(x)|\ dx\); в этом случае говорят, что функция \(f\) абсолютно интегрируема на промежутке \([a, b)\);
  • условно сходящимся, если интеграл \(J\) сходится, а интеграл \(\tilde{J}\) расходится.

Теорема 4.

Если несобственный интеграл \(\tilde{J} = \displaystyle\int\limits_a^b |f(x)|\ dx\) сходится, то интеграл \(J = \displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) также сходится и выполняется неравенство
$$
\left|\int\limits_a^b f(x)\ dx\right| \leq \int\limits_a^b |f(x)|\ dx.\label{ref32}
$$

Доказательство.

\(\circ\) Из сходимости интеграла \(\tilde{J}\) по теореме 3 (необходимое условие) следует, что для него выполняется условие Коши \eqref{ref27}, то есть
$$
\forall \varepsilon > 0\ \exists \delta_{\varepsilon} \in (a, b): \forall \xi’, \xi″ \in (\delta_{\varepsilon}, b) \rightarrow \left|\int\limits_{\xi’}^{\xi″} |f(x)|\ dx\right| < \varepsilon.\label{ref33}
$$
По определению несобственного интеграла \(J\) функция \(f(x)\) интегрируема по Риману на отрезке с концами \(\xi’, \xi″\), и поэтому функция \(|f(x)|\) также интегрируема по Риману на этом отрезке. Применяя правило оценки интеграла, получаем
$$
\left|\int\limits_{\xi’}^{\xi″} f(x)\ dx\right| \leq \left|\int\limits_{\xi’}^{\xi″} |f(x)|\ dx\right|,\nonumber
$$
откуда в силу \eqref{ref33} следует, что функция \(f\) удовлетворяет условию Коши \eqref{ref27}, и по теореме сравнения (достаточное условие) сходится интеграл \(J\).

Для доказательства неравенства \eqref{ref32} воспользуемся неравенством
$$
\left|\int\limits_a^{\xi} f(x)\ dx\right| \leq \int\limits_a^{\xi} |f(x)|\ dx,\label{ref34}
$$
справедливым при любом \(\xi \in [a, b)\). В силу сходимости интегралов \(J\) и \(\tilde{J}\) существуют пределы при \(\xi \rightarrow b-0\) левой и правой частей \eqref{ref34}, равные соответственно \(J\) и \(\tilde{J}\). Переходя в \eqref{ref34} к пределу при \(\xi \rightarrow b-0\), получаем неравенство \eqref{ref32}. \(\bullet\)

Пример 15.

Исследовать на сходимость и абсолютную сходимость интеграл
$$
J(\alpha) = \int\limits_1^{+\infty} \frac{\sin x}{x^{\alpha}}\ dx.\label{ref35}
$$

Решение.

  1. \(\vartriangle\) Пусть \(\alpha > 1\). Так как \(\displaystyle\left|\frac{\sin x}{x^{\alpha}}\right| \leq \frac{1}{x^{\alpha}}\), то в силу сходимости интеграла \(\displaystyle\int\limits_1^{+\infty} \frac{dx}{x^{\alpha}}\) по теореме сравнения сходится интеграл \(\tilde{J}(\alpha) = \displaystyle\int\limits_1^{+\infty} \frac{\sin x}{x^{\alpha}}\ dx\), то есть интеграл \(J\) сходится абсолютно (откуда следует сходимость самого интеграла \(J\) по теореме 4).
  2. Пусть \(0 < \alpha \leq 1\). Тогда, интегрируя по частям, получаем
    $$
    J =-\left.\frac{\cos x}{x^{\alpha}}\right|_{1}^{+\infty}-\alpha \int\limits_a^{+\infty} \frac{\cos x}{x^{\alpha+1}}\ dx,\nonumber
    $$
    где \(\displaystyle\lim_{\substack{x \rightarrow +\infty}} \frac{\cos x}{x^{\alpha}} = 0\), а интеграл \(\displaystyle\int\limits_a^{+\infty} \frac{\cos x}{x^{\alpha+1}}\ dx\) абсолютно сходится и, следовательно, сходится. Поэтому интеграл \(J\) сходится, если \(\alpha \in (0,1]\).Так как интеграл \(\displaystyle\int\limits_1^{+\infty} \frac{|\sin x|}{x^{\alpha}}\ dx\) при \(\alpha \in \) (0,1] расходится (замечание 6), то при \(\alpha \in \) (0,1] интеграл \(J\) сходится условно.
  3. Пусть \(\alpha \leq 0\). Докажем, что интеграл \(J\) расходится, используя критерий Коши. Для \(\delta > 1\) выберем число \(n \in \mathbb{N}\) таким, чтобы выполнялось условие \(2\pi n > \delta\), и возьмем \(\xi_{\delta}’ = 2\pi n+\displaystyle\frac{\pi}{6}\), \(\xi_{\delta}″ = 2\pi n+\displaystyle\frac{5\pi}{6}\). Так как при \(x \in [\xi_{\delta}’, \xi_{\delta}″]\) выполняется     неравенство \(\sin x \geq \displaystyle\frac{1}{2}\) и, кроме того, \(\displaystyle\frac{1}{x^{\alpha}} \geq 1\) при \(x \geq 1\) и \(\alpha \leq 0\), то
    $$
    \left|\int\limits_{\xi_{\delta}’}^{\xi_{\delta}″} \frac{\sin x}{x^{\alpha}}\ dx\right| = \int\limits_{\pi/6+2\pi n}^{5\pi/6+2\pi n} \frac{\sin x}{x^{\alpha}}\ dx \geq \frac{1}{2} \int\limits_{\pi/6+2\pi n}^{5\pi/6+2\pi n}\ dx = \frac{\pi}{3},\nonumber
    $$
    то есть выполняется условие \eqref{ref30}, и поэтому при \(\alpha \leq 0\) интеграл \eqref{ref35} расходится.

Итак, интеграл \eqref{ref35}:

  • абсолютно сходится при \(\alpha > 1\);
  • условно сходится при \(0 < \alpha \leq 1\);
  • расходится при \(\alpha \leq 0\). \(\blacktriangle\)

Замечание 7.

Аналогично можно показать, что интеграл
$$
\int\limits_1^{+\infty} \frac{\cos x}{x^{\alpha}}\ dx\nonumber
$$
абсолютно сходится при \(\alpha > 1\), условно сходится при \(\alpha \in \) (0,1] и расходится при \(\alpha \leq 0\).

При исследовании сходимости интегралов часто может оказаться полезным следующее утверждение.

Теорема 5.

Если функция \(g(x)\) абсолютно интегрируема на промежутке \([a, b)\), то есть несобственный интеграл \(\tilde{J} = \displaystyle\int\limits_a^b |g(x)|\ dx\) сходится, то несобственные интегралы \(J_{1} = \displaystyle\int\limits_a^b f(x)\ dx\) и \(J_{2} = \displaystyle\int\limits_a^b (f(x)+g(x))\ dx\) либо оба абсолютно сходятся, либо оба условно сходятся, либо оба расходятся.

Доказательство.

\(\circ\) Обозначим \(J = \displaystyle\int\limits_a^b g(x)\ dx\), \(\tilde{J}_{1} = \displaystyle\int\limits_a^b |f(x)|\ dx\), \(\tilde{J}_{2} = \displaystyle\int\limits_a^b |(f(x)+g(x))|\ dx\)

  1. Из неравенства \(|f+g| \leq |f|+|g|\) и критерия Коши следует, что если интегралы \(\tilde{J}_{1}\) и \(\tilde{J}\) сходятся, то интеграл \(\tilde{J}_{2}\) также сходится.Аналогично, используя неравенство \(|f| \leq |f+g|+|g|\), докажем, что из сходимости интегралов \(\tilde{J}\) и \(\tilde{J}_{2}\) следует сходимость интеграла \(\tilde{J}_{1}\).
  2. Пусть интеграл \(J_{1}\) сходится, а интеграл \(\tilde{J}_{1}\) расходится.Тогда интеграл \(J_{2}\) сходится (это следует из сходимости интегралов \(J_{1}\) и \(J\)), а интеграл \(\tilde{J}_{2}\) расходится, так как в противном случае из неравенства \(|f| \leq |f+g|+|g|\) и сходимости интеграла \(\tilde{J}\) следовала бы сходимость интеграла \(\tilde{J}_{1}\).Аналогично доказывается, что из условной сходимости интеграла \(J_{2}\) следует условная сходимость интеграла \(J_{1}\).
  3. Из расходимости интеграла \(J_{1}\) следует расходимость интеграла \(J_{2}\) (в противном случае из равенства \(f = (f+g)-g\) и сходимости интеграла \(J\) следовала бы сходимость интеграла \(J_{1}\)).Аналогично из расходимости интеграла \(J_{2}\) следует расходимость интеграла \(J_{1}\). \(\bullet\)

Теорему 5 коротко можно сформулировать так: прибавление (вычитание) под знаком интеграла абсолютно интегрируемой функции не влияет ни на сходимость интеграла, ни на характер сходимости (абсолютная, условная сходимость).


Признаки Дирихле и Абеля сходимости интегралов.

Теорема 6.

(признак Дирихле)

Пусть функция \(f\) непрерывна, а функция \(g\) имеет непрерывную производную на промежутке \([a, +\infty)\) и выполняются следующие условия:

  1. функция \(F(x) = \displaystyle\int\limits_a^x |f(t)|\ dt\) (первообразная для \(f\)) ограничена на \([a, +\infty)\), то есть
    $$
    \exists M > 0: \forall x \in [a, +\infty) \rightarrow |F(x)| \leq M.\label{ref36}
    $$
  2. функция \(g'(x)\) не меняет знака на промежутке \([a, +\infty)\), то есть
    $$
    g'(x) \leq 0.\label{ref37}
    $$
    или
    $$
    g'(x) \geq 0.\label{ref38}
    $$
  3. $$
    \lim_{x \rightarrow +\infty} g(x) = 0.\label{ref39}
    $$

Тогда интеграл
$$
J = \int\limits_a^{+\infty} f(x)g(x)\ dx\label{ref40}
$$
сходится.

Доказательство.

\(\circ\) Покажем, что функция \(fg\) удовлетворяет на промежутке \([a, +\infty)\) условию Коши \eqref{ref27}. Согласно формуле интегрирования по частям для \(\xi’ > a\), \(\xi″ > a\) получаем
$$
\int\limits_{\xi’}^{\xi″} f(x)g(x)\ dx = F(x)g(x)|_{\xi’}^{\xi″}-\int\limits_{\xi’}^{\xi″} F(x)g'(x)\ dx.\label{ref41}
$$
Из условия \eqref{ref36} следует, что
$$
\left|\left.(Fg)\right|_{\xi’}^{\xi″}\right| \leq M(|g(\xi’)|+|g(\xi″)|),\label{ref42}
$$
$$
\left|\int\limits_{\xi’}^{\xi″} F(x)g'(x)\ dx\right| \leq M\left| \int\limits_{\xi’}^{\xi″} |g'(x)|\ dx\right|.\label{ref43}
$$
Заметим, что \(|g'(x)| = -g'(x)\), если выполнено условие \eqref{ref37}, и \(|g'(x)| = g'(x)\), если выполнено условие \eqref{ref38}. Поэтому в первом случае \(J_{1} = \displaystyle\int\limits_{\xi’}^{\xi″} |g'(x)|\ dx = -\int\limits_{\xi’}^{\xi″} g'(x)\ dx = g(\xi’)-g(\xi″)\), а во втором случае \(J_{1} = g(\xi″)-g(\xi’)\). Следовательно,
$$
|J_{1}| = \left|\int\limits_{\xi’}^{\xi″} |g'(x)|\ dx\right| = |g(\xi″)-g(\xi’)| \leq |g(\xi’)+g(\xi″)|.\label{ref44}
$$
Поэтому из равенства \eqref{ref41}, используя оценки \eqref{ref42}-\eqref{ref44}, получаем неравенство
$$
\left|\int\limits_{\xi’}^{\xi″} f(x)g(x)\ dx\right| \leq 2M (|g(\xi’)+g(\xi″)|).\label{ref45}
$$
Согласно условию \eqref{ref39}
$$
\forall \varepsilon > 0\ \exists \delta_{\varepsilon} > a: \forall x \in [\delta_{\varepsilon}, +\infty) \rightarrow |g(x)| < \frac{\varepsilon}{4M}.\label{ref46}
$$

Поэтому для \(\xi’, \xi″ \in [\delta_{\varepsilon}, +\infty)\) из \eqref{ref45} и \eqref{ref46} следует, что
$$
\left|\int\limits_{\xi’}^{\xi″} f(x)g(x)\ dx\right| < 2M (\frac{\varepsilon}{4M}+\frac{\varepsilon}{4M}) = \varepsilon,\nonumber
$$
то есть функция \(f g\) удовлетворяет на промежутке \([a, +\infty)\) условию Коши \eqref{ref27}, и по теореме 3 интеграл \eqref{ref40} сходится. \(\bullet\)

Замечание 8.

Условия \eqref{ref37}-\eqref{ref39} означают, что функция \(g(x)\) монотонно стремится к нулю при \(x \rightarrow +\infty\).

Следствие (признак Абеля).

Если функция \(f\) непрерывна на промежутке \(\Delta = [a, +\infty)\), интеграл \(J = \displaystyle\int\limits_a^{+\infty} f(x)\ dx\) сходится, а функция \(g(x)\) ограничена на \(\Delta\) и ее производная \(g'(x)\) не меняет знака на \(\Delta\) (удовлетворяет условию \eqref{ref37} или \eqref{ref38}), то интеграл \eqref{ref40} сходится.

Доказательство.

\(\circ\) По теореме о пределе монотонной функции существует конечный \(\displaystyle\lim_{\substack{x \rightarrow +\infty}} g(x) = g(+\infty)\), и поэтому функция \(g_{1}(x) = g(x)-g(+\infty)\) монотонно стремится к нулю при \(x \rightarrow +\infty\). Из сходимости интеграла \(J\) следует, что функция \(f\) имеет ограниченную первообразную. По признаку Дирихле интеграл от функции \(f(x)g_{1}(x)\) по промежутку \(\Delta\) сходится. Так как \(f(x)g(x) = f(x)g(+\infty)+f(x)g_{1}(x)\), то интеграл \eqref{ref40} сходится. \(\bullet\)

Пример 16.

Исследовать на сходимость и абсолютную сходимость интеграл
$$
J = \int\limits_0^{+\infty} (e^{x}+x) \cos e^{2x}\ dx.\nonumber
$$

Решение.

\(\vartriangle\) Положим \(e^{2x} = t\). Тогда \(x = \displaystyle\frac{1}{2} \ln t\), \(dx = \displaystyle\frac{dt}{2t}\), и поэтому
$$
J = \frac{1}{2} \int\limits_1^{+\infty} \frac{\cos t}{\sqrt{t}}dt+\frac{1}{4} \int\limits_1^{+\infty} \frac{\ln t}{t} \cos t\ dt.\label{ref47}
$$

Оба интеграла в формуле \eqref{ref47} сходятся по признаку Дирихле, так как функция \(\cos t\) имеет ограниченную первообразную \(\displaystyle\left(\left|\int\limits_1^{\xi} \cos t\ dt\right| \leq 2 \right)\), а функции \(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{t}}\) и \(\displaystyle\frac{\ln t}{t}\) монотонно стремятся к нулю при \(t \rightarrow +\infty\). Покажем, что \(\tilde{J} = \displaystyle\int\limits_1^{+\infty} \varphi(t) |\cos t|\ dt\), где \(\varphi(t) = \displaystyle\frac{1}{2}\left(\frac{1}{\sqrt{t}}+\frac{\ln t}{2t}\right)\), расходится. В самом деле, \(\varphi(t) \geq \displaystyle\frac{1}{2t}\) при \(t \geq 1\), \(|\cos t| \geq \cos^{2} t = \displaystyle\frac{1+\cos 2t}{2}\), откуда следует неравенство \(\varphi(t)|\cos t| \geq \displaystyle\frac{1+\cos 2t}{4t}\). Так как интеграл \(\displaystyle\int\limits_1^{+\infty} \frac{1+\cos 2t}{4t}dt\) расходится (это следует из сходимости по признаку Дирихле интеграла \(\displaystyle\int\limits_1^{+\infty} \frac{\cos 2t}{4t}dt\) и расходимости интеграла \(\displaystyle\int\limits_1^{+\infty} \frac{dt}{4t}\)), то по теореме сравнения интеграл \(\tilde{J}\) расходится. Таким образом, интеграл \(J\) сходится условно. \(\blacktriangle\)

Пример 17.

Исследовать на сходимость интеграл
$$
J = \int\limits_4^{+\infty} \frac{\sin x}{\sqrt{x}-\sin x}dx.\nonumber
$$

Решение.

\(\vartriangle\) Признак Дирихле применить нельзя, так как \(g(x) = \displaystyle\frac{1}{\sqrt{x}-\sin x}\) не является монотонной при \(x \geq 4\). Запишем функцию \(g(x)\) в следующем виде: \(g(x) = \displaystyle\frac{1}{\sqrt{x}}\left(1-\frac{\sin x}{\sqrt{x}}\right)^{-1}\), где \(\displaystyle\left|\frac{\sin x}{\sqrt{x}}\right| \leq \frac{1}{2}\), так как \(x \geq 4\). Положим \(\varphi(t) = (1-t)^{-1}\), \(|t| \displaystyle\leq \frac{1}{2}\). По формуле Тейлора с остаточным членом в форме Лагранжа получаем
$$
\varphi(t) = 1+t+\frac{\varphi″(\xi)}{2!}t^{2},\nonumber
$$

Отсюда следует, что если \(x \geq 4\), то
$$
\left(1-\frac{\sin x}{\sqrt{x}}\right)^{-1} = 1+\frac{\sin x}{\sqrt{x}}+h(x),\nonumber
$$
где \(|h(x)| \leq 2^{3} \displaystyle\left|\frac{\sin x}{\sqrt{x}}\right| \leq \frac{8}{x}\). Поэтому \(\displaystyle\frac{\sin x}{\sqrt{x}-\sin x} = \frac{\sin x}{\sqrt{x}}+\frac{\sin^{2} x}{\sqrt{x}}+\frac{\sin x}{\sqrt{x}}h(x)\), где функция \(\psi(x) = \displaystyle\frac{\sin x}{\sqrt{x}}h(x)\) не влияет на сходимость интеграла \(J\) (теорема 5), так как \(\psi(x) \leq \displaystyle\frac{8}{x^{3/2}}\), а интеграл \(\displaystyle\int\limits_4^{+\infty} \frac{8}{x^{3/2}}dx\) сходится. Из сходимости интеграла \(\displaystyle\int\limits_4^{+\infty}\frac{\sin x}{\sqrt{x}}dx\) (пример 15) и расходимости интеграла \(\displaystyle\int\limits_4^{+\infty}\frac{\sin^{2} x}{\sqrt{x}}dx\) (пример 14) следует, что интеграл \(J\) расходится. \(\blacktriangle\)

Оставить комментарий