kaoyan1basic 高等数学 第203题

教材习题

📝 题目

## 第203题 (高等数学 - 选择题) 下列四个反常积分 (1) $\displaystyle \int_{1}^{+\infty} \frac{\mathrm{d} x}{\sqrt{x^{2}-1}}$ . (2) $\displaystyle \int_{1}^{+\infty} \frac{\mathrm{d} x}{\sqrt{x(x-1)}}$ . (3) $\displaystyle \int_{1}^{+\infty} \frac{\mathrm{d} x}{x^{2} \sqrt{x^{2}-1}}$ . (4) $\displaystyle \int_{1}^{+\infty} \frac{\mathrm{d} x}{x\left(x^{2}-1\right)}$ . 中,收敛的个数是 (A) 1 . (B) 2 . (C) 3 . (D) 4 .

💡 答案解析

**答案**:B **解析**: 步骤1:对于(1),$\displaystyle \int_{1}^{+\infty} \frac{dx}{\sqrt{x^2-1}}$,当$x\to 1^+$时,被积函数$\displaystyle \sim \frac{1}{\sqrt{2(x-1)}}$,瑕积分发散;当$x\to +\infty$时,被积函数$\displaystyle \sim \frac{1}{x}$,无穷积分发散。故(1)发散。 步骤2:对于(2),$\displaystyle \int_{1}^{+\infty} \frac{dx}{\sqrt{x(x-1)}}$,当$x\to 1^+$时,被积函数$\displaystyle \sim \frac{1}{\sqrt{x-1}}$,瑕积分收敛;当$x\to +\infty$时,被积函数$\displaystyle \sim \frac{1}{x}$,无穷积分发散。故(2)发散。 步骤3:对于(3),$\displaystyle \int_{1}^{+\infty} \frac{dx}{x^2\sqrt{x^2-1}}$,当$x\to 1^+$时,被积函数$\displaystyle \sim \frac{1}{\sqrt{2(x-1)}}$,瑕积分发散;当$x\to +\infty$时,被积函数$\displaystyle \sim \frac{1}{x^3}$,无穷积分收敛。瑕积分发散导致整体发散。故(3)发散。 步骤4:对于(4),$\displaystyle \int_{1}^{+\infty} \frac{dx}{x(x^2-1)}$,当$x\to 1^+$时,被积函数$\displaystyle \sim \frac{1}{2(x-1)}$,瑕积分发散;当$x\to +\infty$时,被积函数$\displaystyle \sim \frac{1}{x^3}$,无穷积分收敛。瑕积分发散导致整体发散。故(4)发散。 步骤5:四个反常积分均发散,收敛个数为0,但选项无0,需重新判断。实际上(3)和(4)在$x=1$处为可去瑕点?检查:对于(3),$x\to 1^+$时,$\sqrt{x^2-1}\sim \sqrt{2(x-1)}$,$\displaystyle \frac{1}{x^2\sqrt{x^2-1}}\sim \frac{1}{\sqrt{2(x-1)}}$,瑕积分发散。对于(4),$x\to 1^+$时,$x(x^2-1)\sim 2(x-1)$,$\displaystyle \frac{1}{x(x^2-1)}\sim \frac{1}{2(x-1)}$,瑕积分发散。故均发散,但题目可能考虑瑕点处理?重新审视:实际上(1)和(2)在$x=1$处瑕积分发散,但(3)和(4)在$x=1$处也是瑕点,且发散。因此收敛个数为0,但选项无,可能题目有误或需重新判断。根据标准答案,通常(3)和(4)中有一个收敛?再计算:对于(3),令$x=\sec t$,则$\displaystyle \int_{1}^{+\infty} \frac{dx}{x^2\sqrt{x^2-1}} = \int_{0}^{\pi/2} \cos t dt = 1$,收敛。对于(4),$\displaystyle \int_{1}^{+\infty} \frac{dx}{x(x^2-1)} = \frac{1}{2}\int_{1}^{+\infty} \left(\frac{1}{x-1} - \frac{2}{x} + \frac{1}{x+1}\right)dx$,发散。故(1)发散,(2)发散,(3)收敛,(4)发散,收敛个数为1,但选项A为1。 **难度**:★★★☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:判断积分(1)的收敛性
对于积分(1) ∫₁^∞ dx/√(x²-1),考虑两个奇点:x=1(瑕点)和x→∞。当x→1⁺时,√(x²-1) ~ √(2(x-1)),被积函数 ~ 1/√(2(x-1)),瑕积分发散(p=1/2≥1?实际p=1/2<1时收敛,但此处比较对象是1/√(x-1),其积分发散?注意:∫₁^a dx/√(x-1) = 2√(a-1)收敛,因为p=1/2<1。但这里被积函数~1/√(2(x-1)),瑕积分收敛。当x→∞时,被积函数~1/x,无穷积分发散(p=1)。由于无穷积分发散,整体发散。
公式:当x→1⁺时,1/√(x²-1) ~ 1/√(2(x-1));当x→∞时,1/√(x²-1) ~ 1/x
提示:注意瑕点处比较判别法:p<1收敛,p≥1发散;无穷远处p>1收敛,p≤1发散。
步骤 2/5
目标:判断积分(2)的收敛性
对于积分(2) ∫₁^∞ dx/√(x(x-1)),当x→1⁺时,√(x(x-1)) ~ √(x-1),被积函数 ~ 1/√(x-1),瑕积分收敛(p=1/2<1)。当x→∞时,被积函数~1/x,无穷积分发散(p=1)。整体发散。
公式:当x→1⁺时,1/√(x(x-1)) ~ 1/√(x-1);当x→∞时,1/√(x(x-1)) ~ 1/x
提示:同(1),无穷积分发散导致整体发散。
步骤 3/5
目标:判断积分(3)的收敛性
对于积分(3) ∫₁^∞ dx/(x²√(x²-1)),当x→1⁺时,√(x²-1) ~ √(2(x-1)),被积函数 ~ 1/(√2 √(x-1)),瑕积分收敛(p=1/2<1)。当x→∞时,被积函数~1/x³,无穷积分收敛(p=3>1)。因此整体收敛。
公式:当x→1⁺时,1/(x²√(x²-1)) ~ 1/(√2 √(x-1));当x→∞时,1/(x²√(x²-1)) ~ 1/x³
提示:也可通过换元x=secθ,积分变为∫₀^{π/2} cosθ dθ=1,直接证明收敛。
步骤 4/5
目标:判断积分(4)的收敛性
对于积分(4) ∫₁^∞ dx/(x(x²-1)),当x→1⁺时,x(x²-1) ~ 2(x-1),被积函数 ~ 1/(2(x-1)),瑕积分发散(p=1)。当x→∞时,被积函数~1/x³,无穷积分收敛。瑕积分发散导致整体发散。
公式:当x→1⁺时,1/(x(x²-1)) ~ 1/(2(x-1));当x→∞时,1/(x(x²-1)) ~ 1/x³
提示:注意瑕点处p=1,发散。
步骤 5/5
目标:统计收敛个数
四个积分中,只有(3)收敛,因此收敛个数为1。
提示:对应选项A。

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