題目
Problem
10. Which of the following integrals is ∞?
(A) ∫02x−0.5dx
(B) ∫01xsin(x)dx
(C) ∫2∞xln(x)1dx
(D) ∫0∞2−xdx
(E) ∫1∞x2ln(x)dx
解答
解法一
思路
展開
- 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。
- 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 xlnx1 類似 x1(比 p-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 xsinx 在 x→0+ 時趨近 1,沒有真正的奇點;(E) 可以分部積分直接算。
- 特別注意 (C):∫xlnx1dx 的原函數是 ln∣lnx∣,當 x→∞ 時 ln∣lnx∣→∞,所以積分發散。
答題過程
展開
逐一判斷收斂性:
(A) ∫02x−0.5dx 的瑕點在 x=0(x−0.5→∞)。直接計算:
a→0+lim∫a2x−1/2dx=a→0+lim[2x]a2=22−0=22<∞
收斂。✓
(B) xsinx 在 x→0+ 時趨近 1(極限 limx→0xsinx=1),因此 x=0 並非真正的奇點,積分正常收斂。✓
(C) ∫2∞xlnx1dx。令 u=lnx,du=x1dx,當 x=2 時 u=ln2,當 x→∞ 時 u→∞:
∫ln2∞u1du=[lnu]ln2∞=∞
積分發散,等於 ∞。✗(即本題所求)
(為完整起見,繼續驗算其餘選項)
(D) ∫0∞2−xdx=∫0∞e−xln2dx=[−ln21e−xln2]0∞=ln21<∞。✓
(E) 對 ∫1∞x2lnxdx 做分部積分,令 u=lnx,dv=x−2dx:
∫1∞x2lnxdx==[−xlnx]1∞+∫1∞x21dx0+[−x1]1∞=1<∞
(注意 limx→∞xlnx=0,用洛必達即可確認。)✓
結論: 選項 (C) 的積分等於 ∞。被積函數 xlnx1 的原函數是 ln(lnx),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。