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瑕積分

大一 · 微積分

觀念

瑕積分 (improper integral) 處理兩種「不正常」:積分範圍到無窮遠,或被積函數在某點無界。做法是先把無窮遠(或無界的那一點)換成有限的 bb,積完再取極限:∫1∞f=lim⁡b→∞∫1bf\int_1^\infty f = \lim_{b\to\infty}\int_1^b f。極限存在就說收斂,否則發散;無界點在區間內部時要拆成兩段,兩段都收斂才算收斂。

關鍵基準:∫1∞dxxp\int_1^\infty\frac{dx}{x^p} 在 p>1p>1 收斂(值為 1p−1\frac{1}{p-1})、p≤1p\le1 發散;∫01dxxp\int_0^1\frac{dx}{x^p} 剛好相反,p<1p<1 收斂。∫0∞e−axdx=1a\int_0^\infty e^{-ax}dx = \frac{1}{a}(a>0a>0;a≤0a\le0 時發散)。

算例:∫1∞dxx2=lim⁡b→∞(1−1b)=1\int_1^\infty\frac{dx}{x^2} = \lim_{b\to\infty}(1 - \frac{1}{b}) = 1——無限長的區域可以有有限面積;但 ∫1∞dxx\int_1^\infty\frac{dx}{x} 發散,ln⁡b\ln b 沒有上限。

機率密度函數必須在整條實數線積分為 1,期望值、Gamma 函數、Laplace 轉換全都是瑕積分;級數的積分檢定也靠它。

例題

xyy = e^(−5x)面積 = ?0.20.40.60.80.20.40.60.811.2O

計算 ∫0∞e−5x dx\displaystyle\int_0^{\infty} e^{-5x}\,dx(填最簡分數)。

看解法與答案

改寫成極限:∫0∞e−5xdx=lim⁡b→∞∫0be−5xdx\displaystyle\int_0^{\infty} e^{-5x}dx = \lim_{b\to\infty}\int_0^b e^{-5x}dx;反導函數是 −e−5x5-\dfrac{e^{-5x}}{5}。

代上下限:−e−5b5−(−e05)=1−e−5b5-\dfrac{e^{-5b}}{5} - \left(-\dfrac{e^{0}}{5}\right) = \dfrac{1 - e^{-5b}}{5}。

b→∞b\to\infty 時 e−5b→0e^{-5b}\to 0,所以積分 =15= \dfrac{1}{5}。

答案: 15\frac{1}{5}

用在哪裡

插畫

瑕積分:情境插畫瑕積分:例題插畫

學習路徑

先學會

學完可以接著學

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