中册 5.1 反常积分计算 第3题

数学分析早年真题

📝 题目

3.计算下列反常积分. (1) $\displaystyle \int_{2}^{+\infty} \frac{1}{x^{2}+x-2} \mathrm{~d} x$ 。 (2) $\displaystyle \int_{0}^{+\infty} \frac{1}{\left(x^{2}+a^{2}\right)^{n+1}} \mathrm{~d} x, a>0$ . (3) $\displaystyle \int_{0}^{+\infty} \frac{1}{x^{n}+1} \mathrm{~d} x$ .(中科大2015,江西师大2012( $n=6$ )) (4) $\displaystyle \int_{0}^{+\infty} \frac{x-\sin x}{x^{3}} \mathrm{~d} x$ 。 (5) $\displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{1}{\left(a x^{2}+2 b x+c\right)^{\alpha}} \mathrm{d} x, a>0, a c-b^{2}>0, \alpha>\frac{1}{2}$ . (6) $\displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{1}{\left(x^{2}+2 x+2\right)^{n}} \mathrm{~d} x$ .( $n$ 为正整数). (7) $\displaystyle \int_{0}^{+\infty} \frac{\mathrm{d} x}{\left(p+x^{2}\right)\left(q+x^{2}\right)},(p>0, q>0)$ .

💡 答案解析

\section*{解题过程:} (1) $\displaystyle \int_{2}^{+\infty} \frac{1}{x^{2}+x-2} \mathrm{~d} x=\frac{1}{3} \int_{2}^{+\infty}\left(\frac{1}{x-1}-\frac{1}{x+2}\right) \mathrm{d} x=\left.\frac{1}{3} \ln \frac{x-1}{x+2}\right|_{2} ^{+\infty}=\frac{2}{3} \ln 2$ . (2)方法 1:令 $x=a \tan \theta$ ,则 $$ \begin{aligned} \int_{0}^{+\infty} \frac{1}{\left(x^{2}+a^{2}\right)^{n+1}} \mathrm{~d} x & =\frac{1}{a^{2(n+1)}} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{a}{\left(\sec ^{2} \theta\right)^{n+1}} \sec ^{2} \theta \mathrm{~d} \theta=\frac{1}{a^{2 n+1}} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos ^{2 n} \theta \mathrm{~d} \theta \\ & =\frac{1}{2 a^{2 n+1}} \mathrm{~B}\left(\frac{1}{2}, n+\frac{1}{2}\right)=\frac{1}{a^{2 n+1}} \cdot \frac{2 n-1}{2 n} \cdot \frac{2 n-3}{2(n-1)} \cdots \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2} . \end{aligned} $$ 方法 2:$\displaystyle I_{n}=\int_{0}^{+\infty} \frac{1}{\left(x^{2}+a^{2}\right)^{n}} \mathrm{~d} x=\left.\frac{x}{\left(x^{2}+a^{2}\right)^{n}}\right|_{0} ^{+\infty}+2 n \int_{0}^{+\infty} \frac{x^{2}}{\left(x^{2}+a^{2}\right)^{n+1}} \mathrm{~d} x$ $$ =2 n \int_{0}^{+\infty} \frac{x^{2}}{\left(x^{2}+a^{2}\right)^{n+1}} \mathrm{~d} x=2 n \int_{0}^{+\infty} \frac{x^{2}+a^{2}-a^{2}}{\left(x^{2}+a^{2}\right)^{n+1}} \mathrm{~d} x=2 n I_{n}-2 n a^{2} I_{n+1} $$ 由此可得 $\displaystyle I_{n}=a^{2} \frac{2 n}{2 n-1} I_{n+1}$ .于是 $$ I_{n+1}=\int_{0}^{+\infty} \frac{1}{\left(x^{2}+a^{2}\right)^{n+1}} \mathrm{~d} x=\frac{1}{a^{2 n+1}} \frac{2 n-1}{2 n} \cdot \frac{2 n-3}{2(n-1)} \cdots \frac{1}{2} \frac{\pi}{2} $$ (3)令 $\displaystyle t=\frac{1}{1+x^{n}}$ ,则 $$ \int_{0}^{+\infty} \frac{1}{x^{n}+1} \mathrm{~d} x=\frac{1}{n} \int_{0}^{1} t^{-\frac{1}{n}}(1-t)^{-\frac{n-1}{n}} \mathrm{~d} t=\frac{1}{n} \mathrm{~B}\left(\frac{1}{n}, \frac{n-1}{n}\right)=\frac{1}{n} \Gamma\left(\frac{1}{n}\right) \Gamma\left(\frac{n-1}{n}\right)=\frac{\pi}{n \sin \frac{\pi}{n}} $$ 特别地, $\displaystyle \int_{0}^{+\infty} \frac{1}{1+x^{6}} \mathrm{~d} x=\frac{1}{6} \Gamma\left(\frac{1}{6}\right) \Gamma\left(\frac{5}{6}\right)=\frac{1}{6} \frac{\pi}{\sin \frac{\pi}{6}}=\frac{1}{3} \pi$ . (4) $\displaystyle \int_{0}^{+\infty} \frac{x-\sin x}{x^{3}} \mathrm{~d} x=-\frac{1}{2} \int_{0}^{+\infty}(x-\sin x) \mathrm{d}\left(\frac{1}{x^{2}}\right)=-\frac{1}{2}\left(\left.\frac{x-\sin x}{x^{2}}\right|_{0} ^{+\infty}-\int_{0}^{+\infty} \frac{1-\cos x}{x^{2}} \mathrm{~d} x\right)$ $$ =\frac{1}{2} \int_{0}^{+\infty} \frac{1-\cos x}{x^{2}} \mathrm{~d} x=-\frac{1}{2}\left(\left.\frac{1-\cos x}{x}\right|_{0} ^{+\infty}-\int_{0}^{+\infty} \frac{\sin x}{x} \mathrm{~d} x\right)=\frac{1}{2} \int_{0}^{+\infty} \frac{\sin x}{x} \mathrm{~d} x=\frac{\pi}{4} $$ (5)记 $\displaystyle t=\sqrt{a} x+\frac{b}{\sqrt{a}}, \lambda=\frac{\sqrt{c a-b^{2}}}{a}$ ,则 $$ \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{1}{\left(a x^{2}+2 b x+c\right)^{\alpha}} \mathrm{d} x=\frac{2}{a^{\alpha}} \int_{0}^{+\infty} \frac{1}{\left(t^{2}+\lambda^{2}\right)^{\alpha}} \mathrm{d} t $$ 令 $\mathrm{d} t=\lambda \tan \theta$ ,则 $$ \int_{0}^{+\infty} \frac{1}{\left(t^{2}+\lambda^{2}\right)^{\alpha}} \mathrm{d} t=\frac{1}{\lambda^{2 \alpha}} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\lambda}{\left(\sec ^{2} \theta\right)^{\alpha}} \sec ^{2} \theta \mathrm{~d} \theta=\frac{1}{\lambda^{2 \alpha-1}} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos ^{2 \alpha-2} \theta \mathrm{~d} \theta=\frac{1}{2 \lambda^{2 \alpha-1}} \mathrm{~B}\left(\frac{1}{2}, \alpha-\frac{1}{2}\right) $$ 于是 $\displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{1}{\left(a x^{2}+2 b x+c\right)^{\alpha}} \mathrm{d} x=\frac{2}{a^{\alpha}} \int_{0}^{+\infty} \frac{1}{\left(t^{2}+\lambda^{2}\right)^{\alpha}} \mathrm{d} t=\frac{1}{a^{\alpha} \lambda^{2 \alpha-1}} \mathrm{~B}\left(\frac{1}{2}, \alpha-\frac{1}{2}\right)$ . (6)由(2)得 $\displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{1}{\left(x^{2}+2 x+2\right)^{n}} \mathrm{~d} x=\int_{-\infty}^{+\infty} \frac{1}{\left[(x+1)^{2}+1\right]^{n}} \mathrm{~d}(x+1)=\int_{-\infty}^{+\infty} \frac{1}{\left(t^{2}+1\right)^{n}} \mathrm{~d} t=2 \int_{0}^{+\infty} \frac{1}{\left(t^{2}+1\right)^{n}} \mathrm{~d} t$ $$ =2 \cdot \frac{2 n-3}{2 n-2} \cdot \frac{2 n-5}{2 n-4} \cdots \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2}=\frac{(2 n-3)!!}{(2 n-2)!!} \cdot \pi $$ (7)当 $p=q$ 时, $$ \int \frac{\mathrm{d} x}{\left(x^{2}+p\right)\left(x^{2}+q\right)}=\int \frac{\mathrm{d} x}{\left(x^{2}+p\right)^{2}}=\frac{1}{2 p} \cdot \frac{x}{x^{2}+p}+\frac{1}{2 p} \cdot \frac{\mathrm{~d} x}{x^{2}+p}=\frac{1}{2 p} \cdot \frac{x}{x^{2}+p}+\frac{1}{2 p \sqrt{p}} \arctan \frac{x}{\sqrt{p}}+C $$ $$ \int_{0}^{+\infty} \frac{\mathrm{d} x}{\left(p+x^{2}\right)^{2}}=\lim _{A \rightarrow+\infty} \int_{0}^{A} \frac{\mathrm{~d} x}{\left(x^{2}+p\right)^{2}}=\lim _{A \rightarrow+\infty}\left(\frac{1}{2 p} \frac{A}{A^{2}+p}+\frac{1}{2 p \sqrt{p}} \arctan \frac{A}{\sqrt{p}}\right)=\frac{\pi}{4 p \sqrt{p}} $$ 当 $p \neq q$ 时, $$ \begin{aligned} & \int \frac{\mathrm{d} x}{\left(x^{2}+p\right)\left(x^{2}+q\right)}=\frac{1}{p-q} \int\left(\frac{1}{x^{2}+q}-\frac{1}{x^{2}+p}\right) \mathrm{d} x=\frac{1}{p-q}\left(\frac{1}{\sqrt{q}} \arctan \frac{x}{\sqrt{q}}-\frac{1}{\sqrt{p}} \arctan \frac{x}{\sqrt{p}}\right)+C . \\ & \int_{0}^{+\infty} \frac{\mathrm{d} x}{\left(x^{2}+p\right)\left(x^{2}+q\right)}=\lim _{A \rightarrow+\infty} \frac{1}{p-q}\left(\frac{1}{\sqrt{q}} \arctan \frac{A}{\sqrt{q}}-\frac{1}{\sqrt{p}} \arctan \frac{A}{\sqrt{p}}\right)=\frac{\pi}{2 \sqrt{p q}(\sqrt{p}+\sqrt{q})} . \end{aligned} $$ 综上,只要 $p, q>0$ 就有 $\displaystyle \int_{0}^{+\infty} \frac{\mathrm{d} x}{\left(x^{2}+\dot{p}\right)\left(x^{2}+q\right)}=\frac{\pi}{2 \sqrt{p q}(\sqrt{p}+\sqrt{q})}$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/12
目标:分解被积函数为部分分式
将分母因式分解:$x^2+x-2=(x-1)(x+2)$,然后利用部分分式:$\frac{1}{(x-1)(x+2)}=\frac{1}{3}\left(\frac{1}{x-1}-\frac{1}{x+2}\right)$。
公式:$\frac{1}{(x-1)(x+2)}=\frac{1}{3}\left(\frac{1}{x-1}-\frac{1}{x+2}\right)$
提示:注意分解时系数要正确,避免符号错误。
步骤 2/12
目标:积分并计算极限
积分得:$\int_{2}^{+\infty} \frac{1}{x^2+x-2}dx = \frac{1}{3}\left[\ln|x-1|-\ln|x+2|\right]_{2}^{+\infty} = \frac{1}{3}\lim_{b\to+\infty}\ln\frac{b-1}{b+2} - \frac{1}{3}\ln\frac{1}{4} = \frac{1}{3}\ln 1 - \frac{1}{3}\ln\frac{1}{4} = \frac{2}{3}\ln 2$。
公式:$\int \frac{1}{x-1}dx = \ln|x-1|$
提示:计算极限时注意$\lim_{b\to+\infty}\ln\frac{b-1}{b+2}=0$。
步骤 3/12
目标:三角换元化简积分
令$x=a\tan\theta$,则$dx=a\sec^2\theta d\theta$,$x^2+a^2=a^2\sec^2\theta$。积分变为:$\int_0^{+\infty}\frac{dx}{(x^2+a^2)^{n+1}} = \frac{1}{a^{2n+1}}\int_0^{\pi/2}\cos^{2n}\theta d\theta$。
公式:$\int_0^{\pi/2}\cos^{2n}\theta d\theta = \frac{\pi}{2}\cdot\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}$
提示:注意换元后积分限的变化:$x=0$对应$\theta=0$,$x\to+\infty$对应$\theta\to\pi/2$。
步骤 4/12
目标:利用Beta函数或递推公式求值
利用Beta函数:$\int_0^{\pi/2}\cos^{2n}\theta d\theta = \frac{1}{2}B\left(\frac{1}{2}, n+\frac{1}{2}\right) = \frac{\pi}{2}\cdot\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}$。因此原积分$=\frac{1}{a^{2n+1}}\cdot\frac{\pi}{2}\cdot\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}$。
公式:$B(p,q)=\frac{\Gamma(p)\Gamma(q)}{\Gamma(p+q)}$
提示:注意$(2n)!!=2^n n!$,$(2n-1)!!=\frac{(2n)!}{2^n n!}$。
步骤 5/12
目标:变量替换化为Beta积分
令$t=\frac{1}{1+x^n}$,则$x=\left(\frac{1}{t}-1\right)^{1/n}$,$dx=-\frac{1}{n}t^{-1-1/n}(1-t)^{-1+1/n}dt$。积分变为:$\int_0^{+\infty}\frac{dx}{1+x^n} = \frac{1}{n}\int_0^1 t^{-1/n}(1-t)^{1/n-1}dt = \frac{1}{n}B\left(1-\frac{1}{n}, \frac{1}{n}\right)$。
公式:$B(p,q)=\int_0^1 t^{p-1}(1-t)^{q-1}dt$
提示:注意指数运算的准确性,特别是$dx$的表达式。
步骤 6/12
目标:利用Gamma函数和余元公式
由Beta函数与Gamma函数关系:$B\left(1-\frac{1}{n}, \frac{1}{n}\right) = \Gamma\left(1-\frac{1}{n}\right)\Gamma\left(\frac{1}{n}\right)$。利用余元公式$\Gamma(z)\Gamma(1-z)=\frac{\pi}{\sin\pi z}$,得原积分$=\frac{1}{n}\cdot\frac{\pi}{\sin(\pi/n)}$。
公式:$\Gamma(z)\Gamma(1-z)=\frac{\pi}{\sin\pi z}$
提示:注意余元公式中$z$的范围,这里$z=1/n$。
步骤 7/12
目标:分部积分降次
将积分写为$\int_0^{+\infty}\frac{x-\sin x}{x^3}dx = -\frac{1}{2}\int_0^{+\infty}(x-\sin x)d\left(\frac{1}{x^2}\right)$,分部积分得$=\frac{1}{2}\int_0^{+\infty}\frac{1-\cos x}{x^2}dx$。再分部积分一次:$=\frac{1}{2}\int_0^{+\infty}\frac{\sin x}{x}dx$。
公式:$\int u dv = uv - \int v du$
提示:注意边界项:$\lim_{x\to 0}\frac{x-\sin x}{x^2}=0$,$\lim_{x\to+\infty}\frac{x-\sin x}{x^2}=0$。
步骤 8/12
目标:利用Dirichlet积分结果
已知$\int_0^{+\infty}\frac{\sin x}{x}dx = \frac{\pi}{2}$,因此原积分$=\frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{2}=\frac{\pi}{4}$。
公式:$\int_0^{+\infty}\frac{\sin x}{x}dx = \frac{\pi}{2}$
提示:Dirichlet积分是经典结果,可直接使用。
步骤 9/12
目标:配方并换元化为标准形式
将分母配方:$ax^2+2bx+c = a\left(x+\frac{b}{a}\right)^2 + \frac{ac-b^2}{a}$。令$t=\sqrt{a}\left(x+\frac{b}{a}\right)$,$\lambda=\frac{\sqrt{ac-b^2}}{\sqrt{a}}$,则积分变为$\frac{2}{a^\alpha}\int_0^{+\infty}\frac{dt}{(t^2+\lambda^2)^\alpha}$。
公式:$\int_{-\infty}^{+\infty}f(ax^2+2bx+c)dx = \frac{2}{\sqrt{a}}\int_0^{+\infty}\frac{dt}{(t^2+\lambda^2)^\alpha}$
提示:注意$ac-b^2>0$保证$\lambda$为实数。
步骤 10/12
目标:三角换元并利用Beta函数
令$t=\lambda\tan\theta$,则$dt=\lambda\sec^2\theta d\theta$,$t^2+\lambda^2=\lambda^2\sec^2\theta$。积分化为$\frac{1}{\lambda^{2\alpha-1}}\int_0^{\pi/2}\cos^{2\alpha-2}\theta d\theta = \frac{1}{2\lambda^{2\alpha-1}}B\left(\frac{1}{2}, \alpha-\frac{1}{2}\right)$。乘以系数得原积分$=\frac{1}{a^\alpha\lambda^{2\alpha-1}}B\left(\frac{1}{2}, \alpha-\frac{1}{2}\right)$。
公式:$\int_0^{\pi/2}\cos^{2\alpha-2}\theta d\theta = \frac{1}{2}B\left(\frac{1}{2}, \alpha-\frac{1}{2}\right)$
提示:注意$\alpha>1/2$保证积分收敛。
步骤 11/12
目标:配方并利用(2)的结果
分母配方:$x^2+2x+2=(x+1)^2+1$。令$t=x+1$,则积分变为$\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{dt}{(t^2+1)^n} = 2\int_0^{+\infty}\frac{dt}{(t^2+1)^n}$。利用(2)中$a=1$的结果,得$=2\cdot\frac{\pi}{2}\cdot\frac{(2n-3)!!}{(2n-2)!!} = \pi\frac{(2n-3)!!}{(2n-2)!!}$。
公式:$\int_0^{+\infty}\frac{dx}{(x^2+1)^n} = \frac{\pi}{2}\cdot\frac{(2n-3)!!}{(2n-2)!!}$
提示:注意$n$为正整数,$(2n-3)!!$当$n=1$时定义为$1$。
步骤 12/12
目标:分情况讨论并利用部分分式
当$p=q$时,积分化为$\int_0^{+\infty}\frac{dx}{(x^2+p)^2}$,利用递推或直接积分得$\frac{\pi}{4p\sqrt{p}}$。当$p\neq q$时,利用部分分式:$\frac{1}{(x^2+p)(x^2+q)} = \frac{1}{p-q}\left(\frac{1}{x^2+q} - \frac{1}{x^2+p}\right)$,积分得$\frac{1}{p-q}\left(\frac{1}{\sqrt{q}}\arctan\frac{x}{\sqrt{q}} - \frac{1}{\sqrt{p}}\arctan\frac{x}{\sqrt{p}}\right)$,取极限得$\frac{\pi}{2\sqrt{pq}(\sqrt{p}+\sqrt{q})}$。
公式:$\int_0^{+\infty}\frac{dx}{x^2+a^2} = \frac{\pi}{2a}$
提示:注意$p=q$时需单独处理,避免分母为零。

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