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

4 Ноя в 06:58
4 +1
0
Ответы
1
Ответ: для всех p>0p>0p>0 интеграл
∫1∞sin⁡xxp 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<p1 — условно.
Пояснения и методы.
1) Абсолютная сходимость. По сравнению с 1/xp1/x^p1/xp:
0≤∫1∞∣sin⁡x∣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,
01 xpsinx dx1 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\le1p1 абсолютная сходимость невозможна.
2) Условная сходимость для 0<p≤10<p\le10<p1. Два кратких аргумента.
a) По признаку Дирихле: функция S(X)=∫1Xsin⁡x dx=−cos⁡X+cos⁡1S(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∞sin⁡x⋅g(x) dx\int_1^\infty \sin x\cdot g(x)\,dx1 sinxg(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=sin⁡x dxu=1/x^p,\ dv=\sin x\,dxu=1/xp, dv=sinxdx. Тогда
∫1Nsin⁡xxp dx=[−cos⁡xxp]1N−p∫1Ncos⁡xxp+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 p1N 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∞∣cos⁡x∣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+1cosx dx1 xp+11 dx<
при p>0p>0p>0. Отсюда существование предела исходного интеграла.
3) Несхождение абсолютного интеграла при 0<p≤10<p\le10<p1. Разбиваем на периоды: для целых nnn имеем
∫nπ(n+1)π∣sin⁡x∣xp dx≥1((n+1)π)p∫nπ(n+1)π∣sin⁡x∣ 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}.
(n+1)π xpsinx dx((n+1)π)p1 (n+1)π sinxdx=((n+1)π)p2 .
Сумма таких оценок даёт сравнение с рядом ∑1/np\sum 1/n^p1/np, который расходится при p≤1p\le1p1. Значит ∫1∞∣sin⁡x∣/xp dx=∞\int_1^\infty|\sin x|/x^p\,dx=\infty1 sinx∣/xpdx= при p≤1p\le1p1.
Итог: при p>1p>1p>1 — абсолютная сходимость; при 0<p≤10<p\le10<p1 — условная сходимость; при p≤0p\le0p0 (не в вопросе) интеграл вообще не определён как сходящийся бесконечный предел.
4 Ноя в 08:06
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Прямой эфир