Дан интеграл improver int_{1}^{infty} (sin x) / x^p dx. Для каких p>0 интеграл сходится абсолютно, условно или расходится? Обсудите выбор методов (частичные интегрирования, сравнение с интегралом 1/x^p, признаки Дирихле), и приведите аргументацию
Ответ: для всех p>0p>0p>0 интеграл ∫1∞sinxxp dx
\int_{1}^{\infty}\frac{\sin x}{x^p}\,dx ∫1∞xpsinxdx
сходится; при p>1p>1p>1 — абсолютно, при 0<p≤10<p\le 10<p≤1 — условно. Пояснения и методы. 1) Абсолютная сходимость. По сравнению с 1/xp1/x^p1/xp: 0≤∫1∞∣sinx∣xp dx≤∫1∞1xp dx,
0\le \int_{1}^{\infty}\frac{|\sin x|}{x^p}\,dx \le \int_{1}^{\infty}\frac{1}{x^p}\,dx, 0≤∫1∞xp∣sinx∣dx≤∫1∞xp1dx,
и правая часть сходится тогда и только тогда, когда p>1p>1p>1. Следовательно абсолютная сходимость при p>1p>1p>1; при p≤1p\le1p≤1 абсолютная сходимость невозможна. 2) Условная сходимость для 0<p≤10<p\le10<p≤1. Два кратких аргумента. a) По признаку Дирихле: функция S(X)=∫1Xsinx dx=−cosX+cos1S(X)=\int_1^X \sin x\,dx=-\cos X+\cos1S(X)=∫1Xsinxdx=−cosX+cos1 ограничена, а g(x)=1/xpg(x)=1/x^pg(x)=1/xp монотонно убывает и стремится к нулю при x→∞x\to\inftyx→∞ для любого p>0p>0p>0. По признаку Дирихле интеграл ∫1∞sinx⋅g(x) dx\int_1^\infty \sin x\cdot g(x)\,dx∫1∞sinx⋅g(x)dx сходится. Значит для всех p>0p>0p>0 несобственный интеграл сходится (возможно условно). b) Интегрированием по частям (тот же аргумент): взять u=1/xp, dv=sinx dxu=1/x^p,\ dv=\sin x\,dxu=1/xp,dv=sinxdx. Тогда ∫1Nsinxxp dx=[−cosxxp]1N−p∫1Ncosxxp+1 dx.
\int_1^N\frac{\sin x}{x^p}\,dx=\Big[-\frac{\cos x}{x^p}\Big]_1^N - p\int_1^N\frac{\cos x}{x^{p+1}}\,dx. ∫1Nxpsinxdx=[−xpcosx]1N−p∫1Nxp+1cosxdx.
Граничный член стремится к нулю при N→∞N\to\inftyN→∞ для любого p>0p>0p>0; второе интегральное слагаемое сходится абсолютно, поскольку ∫1∞∣cosx∣xp+1 dx≤∫1∞1xp+1 dx<∞
\int_1^\infty\frac{|\cos x|}{x^{p+1}}\,dx \le \int_1^\infty\frac{1}{x^{p+1}}\,dx<\infty ∫1∞xp+1∣cosx∣dx≤∫1∞xp+11dx<∞
при p>0p>0p>0. Отсюда существование предела исходного интеграла. 3) Несхождение абсолютного интеграла при 0<p≤10<p\le10<p≤1. Разбиваем на периоды: для целых nnn имеем ∫nπ(n+1)π∣sinx∣xp dx≥1((n+1)π)p∫nπ(n+1)π∣sinx∣ dx=2((n+1)π)p.
\int_{n\pi}^{(n+1)\pi}\frac{|\sin x|}{x^p}\,dx \ge \frac{1}{((n+1)\pi)^p}\int_{n\pi}^{(n+1)\pi}|\sin x|\,dx=\frac{2}{((n+1)\pi)^p}. ∫nπ(n+1)πxp∣sinx∣dx≥((n+1)π)p1∫nπ(n+1)π∣sinx∣dx=((n+1)π)p2.
Сумма таких оценок даёт сравнение с рядом ∑1/np\sum 1/n^p∑1/np, который расходится при p≤1p\le1p≤1. Значит ∫1∞∣sinx∣/xp dx=∞\int_1^\infty|\sin x|/x^p\,dx=\infty∫1∞∣sinx∣/xpdx=∞ при p≤1p\le1p≤1. Итог: при p>1p>1p>1 — абсолютная сходимость; при 0<p≤10<p\le10<p≤1 — условная сходимость; при p≤0p\le0p≤0 (не в вопросе) интеграл вообще не определён как сходящийся бесконечный предел.
∫1∞sinxxp dx \int_{1}^{\infty}\frac{\sin x}{x^p}\,dx
∫1∞ xpsinx dx сходится; при p>1p>1p>1 — абсолютно, при 0<p≤10<p\le 10<p≤1 — условно.
Пояснения и методы.
1) Абсолютная сходимость. По сравнению с 1/xp1/x^p1/xp:
0≤∫1∞∣sinx∣xp dx≤∫1∞1xp dx, 0\le \int_{1}^{\infty}\frac{|\sin x|}{x^p}\,dx \le \int_{1}^{\infty}\frac{1}{x^p}\,dx,
0≤∫1∞ xp∣sinx∣ dx≤∫1∞ xp1 dx, и правая часть сходится тогда и только тогда, когда p>1p>1p>1. Следовательно абсолютная сходимость при p>1p>1p>1; при p≤1p\le1p≤1 абсолютная сходимость невозможна.
2) Условная сходимость для 0<p≤10<p\le10<p≤1. Два кратких аргумента.
a) По признаку Дирихле: функция S(X)=∫1Xsinx dx=−cosX+cos1S(X)=\int_1^X \sin x\,dx=-\cos X+\cos1S(X)=∫1X sinxdx=−cosX+cos1 ограничена, а g(x)=1/xpg(x)=1/x^pg(x)=1/xp монотонно убывает и стремится к нулю при x→∞x\to\inftyx→∞ для любого p>0p>0p>0. По признаку Дирихле интеграл ∫1∞sinx⋅g(x) dx\int_1^\infty \sin x\cdot g(x)\,dx∫1∞ sinx⋅g(x)dx сходится. Значит для всех p>0p>0p>0 несобственный интеграл сходится (возможно условно).
b) Интегрированием по частям (тот же аргумент): взять u=1/xp, dv=sinx dxu=1/x^p,\ dv=\sin x\,dxu=1/xp, dv=sinxdx. Тогда
∫1Nsinxxp dx=[−cosxxp]1N−p∫1Ncosxxp+1 dx. \int_1^N\frac{\sin x}{x^p}\,dx=\Big[-\frac{\cos x}{x^p}\Big]_1^N - p\int_1^N\frac{\cos x}{x^{p+1}}\,dx.
∫1N xpsinx dx=[−xpcosx ]1N −p∫1N xp+1cosx dx. Граничный член стремится к нулю при N→∞N\to\inftyN→∞ для любого p>0p>0p>0; второе интегральное слагаемое сходится абсолютно, поскольку
∫1∞∣cosx∣xp+1 dx≤∫1∞1xp+1 dx<∞ \int_1^\infty\frac{|\cos x|}{x^{p+1}}\,dx \le \int_1^\infty\frac{1}{x^{p+1}}\,dx<\infty
∫1∞ xp+1∣cosx∣ dx≤∫1∞ xp+11 dx<∞ при p>0p>0p>0. Отсюда существование предела исходного интеграла.
3) Несхождение абсолютного интеграла при 0<p≤10<p\le10<p≤1. Разбиваем на периоды: для целых nnn имеем
∫nπ(n+1)π∣sinx∣xp dx≥1((n+1)π)p∫nπ(n+1)π∣sinx∣ dx=2((n+1)π)p. \int_{n\pi}^{(n+1)\pi}\frac{|\sin x|}{x^p}\,dx \ge \frac{1}{((n+1)\pi)^p}\int_{n\pi}^{(n+1)\pi}|\sin x|\,dx=\frac{2}{((n+1)\pi)^p}.
∫nπ(n+1)π xp∣sinx∣ dx≥((n+1)π)p1 ∫nπ(n+1)π ∣sinx∣dx=((n+1)π)p2 . Сумма таких оценок даёт сравнение с рядом ∑1/np\sum 1/n^p∑1/np, который расходится при p≤1p\le1p≤1. Значит ∫1∞∣sinx∣/xp dx=∞\int_1^\infty|\sin x|/x^p\,dx=\infty∫1∞ ∣sinx∣/xpdx=∞ при p≤1p\le1p≤1.
Итог: при p>1p>1p>1 — абсолютная сходимость; при 0<p≤10<p\le10<p≤1 — условная сходимость; при p≤0p\le0p≤0 (не в вопросе) интеграл вообще не определён как сходящийся бесконечный предел.