التكاملات غير الصحيحة اختبارات تقارب التكاملات غير الصحيحة للدوال غير السالبة التعريف والخصائص الأساسية
1. التكاملات غير الصحيحة ذات الحدود اللانهائية
دعونا نتذكر تعريف التكامل باعتباره نهاية المجاميع التكاملية: 
يفترض التعريف أن فترة التكامل محدودة وأن الدالة f(x) مستمرة داخلها. يؤدي انتهاك هذه الافتراضات إلى تكاملات غير صحيحة.
تعريف.إذا كان التكامل يميل إلى نهاية منتهية كلما زاد إلى ما لا نهاية "ب"، فإن هذا الحد يسمى تكاملاً غير صحيح مع حد أعلى لا نهائي للدالة f (x) ويشار إليه بالرمز 
في هذه الحالة، يقال إن التكامل غير الحقيقي موجود أو متقارب.
إذا كانت النهاية المحددة غير موجودة أو موجودة ولكنها لا نهائية، يقال أن التكامل غير موجود أو متباعد.
يتم تعريف التكامل غير الصحيح مع الحد الأدنى اللانهائي بالمثل:
يتم إعطاء التكامل غير الصحيح مع حدين لا نهائيين بواسطة:
حيث c هي أي نقطة ثابتة على محور الثور.
لذلك، يمكن أن يكون للتكاملات غير الحقيقية حد أدنى لا نهائي، وحد أعلى لا نهائي، وأيضًا حدين لا نهائيين.
بوادر التقارب. التقارب المطلق والمشروط
التكامل موجود فقط في حالة وجود كل من التكاملات: و .
مثال.افحص تقارب التكامل
بافتراض أن ج = 0 نحصل على:
أولئك. التكامل يتقارب.
في بعض الأحيان لا تكون هناك حاجة لحساب تكامل غير صحيح، ولكن يكفي معرفة ما إذا كان يتقارب أو يتباعد من خلال مقارنته بتكامل آخر.
نظرية المقارنة للتكاملات غير الصحيحة.
دع الدالة f (x) في الفاصل الزمني تحتوي على عدة نقاط انقطاع (عدد محدود) من النوع الأول، يمكن إزالة هذه "العقبة" بسهولة عن طريق تقسيم المقطع إلى عدة مقاطع بنقاط انقطاع، وحساب تكاملات محددة في كل قسم على حدة و إضافة النتائج.
دعونا نفكر في التكامل المحدد لدالة تكون غير محدودة عند الاقتراب من أحد طرفي القطعة، على سبيل المثال، 
.
(في مثل هذه الحالات يقولون عادة: ''إن الدالة لها انقطاع لا نهائي عند الطرف الأيمن من فترة التكامل.'').
من الواضح أن التعريف المعتاد للتكامل يفقد معناه هنا.
تعريف. تكامل غير صحيح للدالة f(x)، مستمر لـ £ x< b и неограниченной при x ® b - 0, называется предел:
يتم تعريف التكامل غير الصحيح للدالة التي لها انقطاع لا نهائي في الطرف الأيسر من المقطع بشكل مشابه:
وبالتالي، في القسم [-1، 0] يتباعد التكامل.
وهذا يعني أن التكامل يتباعد أيضًا في القسم.
وبالتالي، فإن هذا التكامل يتباعد خلال الفترة بأكملها [-1، 1]. لاحظ أننا إذا بدأنا بحساب هذا التكامل دون الانتباه إلى انقطاع التكامل عند النقطة x = 0، فسنحصل على نتيجة غير صحيحة. حقًا،
وهو أمر مستحيل.
لذلك، لدراسة التكامل غير الصحيح لدالة غير متصلة، من الضروري "تقسيمها" إلى عدة تكاملات ودراستها.
كما هو معروف، العثور على التكامل يمكن أن يكون تماما مهمة صعبة. سيكون من المخيب للآمال أن نبدأ في حساب تكامل غير صحيح ونكتشف أنه ينحرف في نهاية المسار. لذلك، من المثير للاهتمام الأساليب التي تسمح، دون حسابات جادة تعتمد على نوع واحد من الوظائف، بالتوصل إلى نتيجة حول تقارب أو تباعد تكامل غير صحيح. تساعد نظريتي المقارنة الأولى والثانية، والتي سيتم مناقشتها أدناه، بشكل كبير في دراسة التكاملات غير الصحيحة للتقارب.
دع f(x)?0. ثم الوظائف
تتزايد بشكل رتيب في المتغيرات t أو -g (بما أننا نأخذ g>0، -g يميل إلى الصفر من اليسار). إذا ظلت الدالتان F 1 (t) و F 2 (-d) محدودتين من الأعلى مع زيادة الوسائط، فهذا يعني أن التكاملات غير الصحيحة المقابلة تتقارب. هذا هو أساس نظرية المقارنة الأولى لتكاملات الدوال غير السالبة.
دع الدالتين f(x) وg(x) عند x?a تستوفي الشروط التالية:
- 1) 0?f(x)?g(x);
- 2) الدالتان f(x) وg(x) مستمرتان.
فمن تقارب التكامل يتبع تقارب التكامل، ومن تباعد التكامل يتبع التباعد
بما أن 0?f(x)?g(x) والدوال مستمرة
بالشرط، يتقارب التكامل، أي. له قيمة محدودة. ولذلك فإن التكامل يتقارب أيضًا.
الآن دع التكامل يتباعد. لنفترض أن التكامل يتقارب، ولكن بعد ذلك لا بد أن يتقارب التكامل، وهو ما ينافي الشرط. افتراضنا غير صحيح، يتباعد التكامل.
نظرية المقارنة للتكاملات غير الحقيقية من النوع الثاني.
دع الدالتين f(x) وg(x) على الفاصل الزمني تزيد بلا حدود لـ x>+0. بالنسبة لـ x>+0، فإن عدم المساواة التالية ينطبق على:<. Несобственный интеграл есть эталонный интеграл 2-го рода, который при p=<1 сходится; следовательно, по 1-й теореме сравнения для несобственных интегралов 2-го рода интеграл сходится также.
نظرية المقارنة للتكاملات غير الحقيقية من النوع الأول.
دع الدالة f(x) وg(x) على الفاصل الزمني $، يفترض أن كلا الرقمين أدناه محدودان. إذا كان هناك انقطاع واحد فقط، فيمكن تحديد موقعه إما عند النقطة $a$، أو عند النقطة $b$، أو داخل الفاصل الزمني $(a,\,b)$. دعونا نفكر أولاً في الحالة التي يكون فيها هناك انقطاع من النوع الثاني عند النقطة $a$، وفي نقاط أخرى تكون الدالة التكاملية متصلة. لذلك نحن نناقش التكامل
\begin(معادلة) I=\int _a^b f(x)\,dx, (22) \label(intr2) \end(معادلة)
و $f(x) \rightarrow \infty $ عندما $x \rightarrow a+0$. كما كان من قبل، أول شيء يجب فعله هو إعطاء معنى لهذا التعبير. للقيام بذلك، النظر في التكامل
\[ I(\epsilon)=\int _(a+\epsilon)^b f(x)\,dx. \]
تعريف. فليكن هناك حد محدود
\[ A=\lim _(\epsilon \rightarrow +0)I(\epsilon)=\lim _(\epsilon \rightarrow +0)\int _(a+\epsilon)^b f(x)\,dx. \]
ثم يقال إن التكامل غير الصحيح من النوع الثاني (22) متقارب ويتم تخصيص القيمة $A$ له؛ ويقال إن الدالة $f(x)$ نفسها قابلة للتكامل على الفاصل الزمني $\left[ a, \ ، ب\يمين]$.
النظر في التكامل
\[ I=\int ^1_0\frac(dx)(\sqrt(x)). \]
الدالة التكاملية $1/\sqrt(x)$ عند $x \rightarrow +0$ لها حد لا نهائي، لذلك عند النقطة $x=0$ يكون لها انقطاع من النوع الثاني. هيا نضع
\[ I(\epsilon)=\int ^1_(\epsilon )\frac(dx)(\sqrt(x))\,. \]
في في هذه الحالةالمشتق المضاد معروف،
\[ I(\epsilon)=\int ^1_(\epsilon )\frac(dx)(\sqrt(x))=2\sqrt(x)|^1_(\epsilon )=2(1-\sqrt( \epsilon ))\rightarrow 2\]
في $\epsilon\rightarrow +0$. وبالتالي فإن التكامل الأصلي هو تكامل غير صحيح متقارب من النوع الثاني، وهو يساوي 2.
دعونا نفكر في الخيار عندما يكون هناك انقطاع من النوع الثاني في الدالة التكاملية عند الحد الأعلى لفترة التكامل. يمكن اختزال هذه الحالة إلى الحالة السابقة عن طريق تغيير المتغير $x=-t$ ثم إعادة ترتيب حدود التكامل.
دعونا نفكر في الخيار الذي يكون فيه للدالة التكاملية انقطاع من النوع الثاني داخل فترة التكامل، عند النقطة $c \in (a,\,b)$. في هذه الحالة، التكامل الأصلي
\begin(معادلة) I=\int _a^bf(x)\,dx (23) \label(intr3) \end(معادلة)
قدمت كمجموع
\[ I=I_1+I_2, \quad I_1=\int _a^cf(x)\,dx +\int _c^df(x)\,dx. \]
تعريف. إذا تقارب التكاملان $I_1, \, I_2$، فإن التكامل غير الصحيح (23) يسمى متقاربًا ويتم تعيين قيمة تساوي مجموع التكاملات $I_1, \, I_2$، الدالة $f(x)$ يسمى قابل للتكامل على الفاصل الزمني $\left [a, \, b\right]$. إذا كان واحد على الأقل من التكاملات $I_1,\, I_2$ متباعدًا، فإن التكامل غير الصحيح (23) يسمى متباعدًا.
تتمتع التكاملات غير الصحيحة المتقاربة من النوع الثاني بجميع الخصائص القياسية للتكاملات المحددة العادية.
1. إذا كان $f(x)$، $g(x)$ قابلين للتكامل في الفاصل الزمني $\left[ a, \,b \right ]$، فإن مجموعهما $f(x)+g(x)$ هو قابلة للتكامل أيضًا في هذا الفاصل الزمني، و \[ \int _a^(b)\left(f(x)+g(x)\right)dx=\int _a^(b)f(x)dx+\int _a^( ب) ز (س) دكس. \] 2. إذا كان $f(x)$ قابلاً للتكامل في الفاصل الزمني $\left[ a, \, b \right ]$، فبالنسبة لأي ثابت $C$ تكون الدالة $C\cdot f(x)$ أيضًا قابلة للتكامل في هذه الفترة، و \[ \int _a^(b)C\cdot f(x)dx=C \cdot \int _a^(b)f(x)dx. \] 3. إذا كان $f(x)$ قابلاً للتكامل على الفاصل الزمني $\left[ a, \, b \right ]$، وعلى هذا الفاصل الزمني $f(x)>0$، فعندئذٍ \[ \int _a^ (ب ) f(x)dx\,>\,0. \] 4. إذا كان $f(x)$ قابلاً للتكامل في الفاصل الزمني $\left[ a, \, b \right ]$، فبالنسبة لأي $c\in (a, \,b)$ التكاملات \[ \ int _a^ (c) f(x)dx, \quad \int _c^(b) f(x)dx \] تتلاقى أيضًا، و\[ \int _a^(b)f(x)dx=\int _a ^(c ) f(x)dx+\int _c^(b) f(x)dx \] (جمعية التكامل على الفترة).
النظر في التكامل \begin(معادلة) I=\int _0^(1)\frac(1)(x^k)\,dx. (24) \label(mod2) \end(معادلة) إذا كان $k>0$، فإن التكامل يميل إلى $\infty$ كـ $x \rightarrow +0$، وبالتالي فإن التكامل غير مناسب من النوع الثاني. دعونا نقدم الوظيفة \[ I(\epsilon)=\int _(\epsilon)^(1)\frac(1)(x^k)\,dx. \] وفي هذه الحالة يكون المشتق العكسي معروفًا \[ I(\epsilon)=\int _(\epsilon)^(1)\frac(1)(x^k)\,dx\,=\frac(x^(1-k))(1-k )|_(\epsilon)^1= \frac(1)(1-k)-\frac(\epsilon ^(1-k))(1-k). \] مقابل $k \neq 1$، \[ I(\epsilon)=\int _(\epsilon)^(1)\frac(1)(x)\,dx\,=lnx|_(\epsilon)^1= -ln \epsilon. \] مقابل $k = 1$. بالنظر إلى السلوك عند $\epsilon \rightarrow +0$، توصلنا إلى نتيجة مفادها أن التكامل (20) يتقارب عند $k
10.2.2 اختبارات تقارب التكاملات غير الصحيحة من النوع الثاني
نظرية (أول علامة للمقارنة). اجعل $f(x)$ و$g(x)$ مستمرين من أجل $x\in (a,\,b)$ و$0 1. إذا كان التكامل \[ \int _a^(b)g(x) يتقارب dx \]، ثم يتقارب التكامل \[ \int _a^(b)f(x)dx. \] 2. إذا تباعد التكامل \[ \int _a^(b)f(x)dx \]، فإن التكامل \[ \int _a^(b)g(x)dx يتباعد. \]
نظرية (معيار المقارنة الثاني). دع $f(x)$, $g(x)$ يكون مستمرًا وموجبًا لـ $x\in (a,\,b)$، وليكن هناك نهاية منتهية
\[ \theta = \lim_(x \rightarrow a+0) \frac(f(x))(g(x)), \quad \theta \neq 0, \, +\infty. \]
ثم التكاملات
\[ \int _a^(b)f(x)dx, \quad \int _a^(b)g(x)dx \]
تتقارب أو تتباعد في وقت واحد.
النظر في التكامل
\[ I=\int _0^(1)\frac(1)(x+\sin x)\,dx. \]
التكامل هو دالة موجبة على فترة التكامل، ويميل التكامل إلى $\infty$ كـ $x \rightarrow +0$، لذا فإن تكاملنا هو تكامل غير صحيح من النوع الثاني. علاوة على ذلك، بالنسبة إلى $x \rightarrow +0$ لدينا: إذا كان $g(x)=1/x$، إذن
\[ \lim _(x \rightarrow +0)\frac(f(x))(g(x))=\lim _(x \rightarrow +0)\frac(x)(x+\sin x)=\ فارك(1)(2) \neq 0,\, \infty \, . \]
وبتطبيق معيار المقارنة الثاني، نتوصل إلى استنتاج مفاده أن التكامل يتقارب أو يتباعد في وقت واحد مع التكامل
\[ \int _0^(+1)\frac(1)(x)\,dx . \]
وكما هو موضح في المثال السابق، فإن هذا التكامل يتباعد ($k=1$). وبالتالي فإن التكامل الأصلي يختلف أيضًا.
احسب التكامل غير الصحيح أو حدد تقاربه (تباعده).
1. \[ \int _(0)^(1)\frac(dx)(x^3-5x^2)\,. \] 2. \[ \int _(3)^(7)\frac(x\,dx)((x-5)^2)\,. \] 3. \[ \int _(0)^(1)\frac(x\,dx)(\sqrt(1-x^2))\,. \] 4. \[ \int _(0)^(1)\frac(x^3\,dx)(1-x^5)\,. \] 5. \[ \int _(-3)^(2)\frac(dx)((x+3)^2)\,. \] 6. \[ \int _(1)^(2)\frac(x^2\,dx)((x-1)\sqrt(x-1))\,. \] 7. \[ \int _(0)^(1)\frac(dx)(\sqrt(x+x^2))\,. \] 8. \[ \int _(0)^(1/4)\frac(dx)(\sqrt(x-x^2))\,. \] 9. \[ \int _(1)^(2)\frac(dx)(xlnx)\,. \] 10. \[ \int _(1)^(2)\frac(x^3\,dx)(\sqrt(4-x^2))\,. \] 11. \[ \int _(0)^(\pi /4)\frac(dx)(\sin ^4x)\,. \]
