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111 政治大學微積分 第 10 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

111學年度 · 111微積分 · 第 10 題

題目

Problem

10. Which of the following integrals is \infty?

(A) 02x0.5dx\displaystyle\int_0^2 x^{-0.5}\,\mathrm{d}x

(B) 01sin(x)xdx\displaystyle\int_0^1 \frac{\sin(x)}{x}\,\mathrm{d}x

(C) 21xln(x)dx\displaystyle\int_2^\infty \frac{1}{x\ln(x)}\,\mathrm{d}x

(D) 02xdx\displaystyle\int_0^\infty 2^{-x}\,\mathrm{d}x

(E) 1ln(x)x2dx\displaystyle\int_1^\infty \frac{\ln(x)}{x^2}\,\mathrm{d}x

解答

解法一

思路

展開
  1. 這一題考察五個積分的收斂性,每個積分都有不同的瑕點或不同的收斂原因。
  2. 快速篩查的策略是先挑「最有可能發散」的選項優先計算:(C) 的被積函數 1xlnx\dfrac{1}{x\ln x} 類似 1x\dfrac{1}{x}(比 pp-判準的臨界情況還要「慢」),是典型的發散類型;(A)(D) 從直覺上看像是收斂的;(B) 的 sinxx\dfrac{\sin x}{x}x0+x \to 0^+ 時趨近 11,沒有真正的奇點;(E) 可以分部積分直接算。
  3. 特別注意 (C):1xlnxdx\int \dfrac{1}{x\ln x}\,\mathrm{d}x 的原函數是 lnlnx\ln|\ln x|,當 xx \to \inftylnlnx\ln|\ln x| \to \infty,所以積分發散。

答題過程

展開

逐一判斷收斂性:


(A) 02x0.5dx\displaystyle\int_0^2 x^{-0.5}\,\mathrm{d}x 的瑕點在 x=0x = 0x0.5x^{-0.5} \to \infty)。直接計算:

lima0+a2x1/2dx=lima0+[2x]a2=220=22<\lim_{a\to 0^+}\int_a^2 x^{-1/2}\,\mathrm{d}x = \lim_{a\to 0^+}\Big[2\sqrt{x}\Big]_a^2 = 2\sqrt{2} - 0 = 2\sqrt{2} < \infty

收斂。✓


(B) sinxx\dfrac{\sin x}{x}x0+x \to 0^+ 時趨近 11(極限 limx0sinxx=1\lim_{x\to 0}\dfrac{\sin x}{x} = 1),因此 x=0x = 0 並非真正的奇點,積分正常收斂。✓


(C) 21xlnxdx\displaystyle\int_2^\infty \dfrac{1}{x\ln x}\,\mathrm{d}x。令 u=lnxu = \ln xdu=1xdx\mathrm{d}u = \dfrac{1}{x}\,\mathrm{d}x,當 x=2x = 2u=ln2u = \ln 2,當 xx \to \inftyuu \to \infty

ln21udu=[lnu]ln2=\int_{\ln 2}^\infty\frac{1}{u}\,\mathrm{d}u = \Big[\ln u\Big]_{\ln 2}^\infty = \infty

積分發散,等於 \infty。✗(即本題所求)


(為完整起見,繼續驗算其餘選項)

(D) 02xdx=0exln2dx=[1ln2exln2]0=1ln2<\displaystyle\int_0^\infty 2^{-x}\,\mathrm{d}x = \int_0^\infty e^{-x\ln 2}\,\mathrm{d}x = \left[-\dfrac{1}{\ln 2}e^{-x\ln 2}\right]_0^\infty = \dfrac{1}{\ln 2} < \infty。✓

(E)1lnxx2dx\displaystyle\int_1^\infty\dfrac{\ln x}{x^2}\,\mathrm{d}x 做分部積分,令 u=lnxu = \ln xdv=x2dx\mathrm{d}v = x^{-2}\,\mathrm{d}x

1lnxx2dx=[lnxx]1+11x2dx=0+[1x]1=1<\begin{align*} \int_1^\infty\frac{\ln x}{x^2}\,\mathrm{d}x =&\, \left[-\frac{\ln x}{x}\right]_1^\infty + \int_1^\infty\frac{1}{x^2}\,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, 0 + \left[-\frac{1}{x}\right]_1^\infty = 1 < \infty \end{align*}

(注意 limxlnxx=0\lim_{x\to\infty}\dfrac{\ln x}{x} = 0,用洛必達即可確認。)✓


結論: 選項 (C) 的積分等於 \infty。被積函數 1xlnx\dfrac{1}{x\ln x} 的原函數是 ln(lnx)\ln(\ln x),在積分上限趨向無窮大時此函數也趨向無窮大,故積分發散。