題目
Problem
5. Evaluate the improper integral
∫01xlnxdx.(10%)
解答
解法一
思路
展開
- 給定廣義(反常)積分 ∫01xlnxdx。因為當 x→0+ 時 lnx→−∞,所以 x=0 為瑕點。
- 我們需要計算極限:
I=limt→0+∫t1xlnxdx
- 第一步:使用分部積分法計算不定積分:
- 令 u=lnx⟹du=x1dx。
- 令 dv=xdx⟹v=21x2。
- 不定積分為:
∫xlnxdx=21x2lnx−∫21x2⋅x1dx=21x2lnx−41x2+C
- 第二步:帶入定積分界限並求極限:
- 上限 x=1:值為 21(1)2ln1−41(1)2=−41。
- 下限 x→0+ 的極限:需要利用羅必達法則求解 limt→0+t2lnt=0。
答題過程
展開
由於被積函數在 x=0 處無定義(limx→0+lnx=−∞),此為瑕積分。我們將其寫成極限形式:
∫01xlnxdx=t→0+lim∫t1xlnxdx
我們先計算不定積分 ∫xlnxdx。
採用分部積分法,令:
u=lnx⟹du=x1dx
dv=xdx⟹v=21x2
則:
∫xlnxdx=21x2lnx−∫(21x2)(x1dx)=21x2lnx−41x2+C
將此原函數代回定積分式:
∫t1xlnxdx===[21x2lnx−41x2]t1(21(1)2ln(1)−41(1)2)−(21t2lnt−41t2)−41−21t2lnt+41t2
接下來,我們求解當 t→0+ 時的極限。首先計算關鍵項 limt→0+t2lnt:
此為 0⋅(−∞) 型未定式,我們將其改寫為 ∞−∞ 型並使用羅必達法則:
t→0+limt2lnt=t→0+limt−2lnt=L.H.t→0+lim−2t−3t1=t→0+lim(−2t2)=0
另外,顯然有 limt→0+41t2=0。
因此,瑕積分的值為:
∫01xlnxdx=t→0+lim(−41−21t2lnt+41t2)=−41−0+0=−41
結論:
反常積分值為 −41。