瑕積分計算機

以 AI 逐步解題,計算具有無窮邊界或無界被積函數的瑕積分
integral from 0 to infinity of e^(-x) dx
integral from 1 to infinity of 1/x^2 dx
integral from 0 to 1 of 1/sqrt(x) dx
integral from -infinity to infinity of 1/(1+x^2) dx

什麼是瑕積分?

瑕積分是一種定積分,其中:

  1. 積分區間為無窮:例如 ∫1∞f(x) dx\int_1^\infty f(x)\,dx 或 ∫−∞∞f(x) dx\int_{-\infty}^\infty f(x)\,dx
  2. 被積函數在區間內部或端點有鉛直漸近線:例如 ∫011x dx\int_0^1 \frac{1}{\sqrt{x}}\,dx

在這兩種情況下,標準的黎曼積分無定義,但我們有時可以利用極限指定一個有限的值。

若極限存在且有限,則瑕積分收斂。若極限為無窮或不存在,則積分發散。

瑕積分在機率(正規化常數)、拉普拉斯與傅立葉變換,以及級數斂散性判別法中居於核心地位。

如何計算瑕積分

類型 1:無窮區間

以極限取代無窮:

∫a∞f(x) dx=lim⁡t→∞∫atf(x) dx\int_a^\infty f(x)\,dx = \lim_{t \to \infty} \int_a^t f(x)\,dx

∫−∞bf(x) dx=lim⁡t→−∞∫tbf(x) dx\int_{-\infty}^b f(x)\,dx = \lim_{t \to -\infty} \int_t^b f(x)\,dx

對於兩端皆為無窮,在任意方便的點 cc 處分割:

∫−∞∞f(x) dx=∫−∞cf(x) dx+∫c∞f(x) dx\int_{-\infty}^\infty f(x)\,dx = \int_{-\infty}^c f(x)\,dx + \int_c^\infty f(x)\,dx

兩部分都必須各自收斂——否則整個積分發散。

類型 2:無界被積函數

若 ff 在 [a,b][a, b] 內部的 x=cx = c 處無界,則分割並取極限:

∫abf(x) dx=lim⁡t→c−∫atf(x) dx+lim⁡s→c+∫sbf(x) dx\int_a^b f(x)\,dx = \lim_{t \to c^-}\int_a^t f(x)\,dx + \lim_{s \to c^+}\int_s^b f(x)\,dx

若奇點在 x=ax = a 處:

∫abf(x) dx=lim⁡t→a+∫tbf(x) dx\int_a^b f(x)\,dx = \lim_{t \to a^+} \int_t^b f(x)\,dx

pp 判別法

∫1∞1xp dx當 p>1 時收斂,當 p≤1 時發散\int_1^\infty \frac{1}{x^p}\,dx \quad \text{當 } p > 1 \text{ 時收斂,當 } p \leq 1 \text{ 時發散}

∫011xp dx當 p<1 時收斂,當 p≥1 時發散\int_0^1 \frac{1}{x^p}\,dx \quad \text{當 } p < 1 \text{ 時收斂,當 } p \geq 1 \text{ 時發散}

臨界指數為 p=1p = 1。注意這兩種情況的收斂規則相反。

比較判別法

若在區間上 0≤f(x)≤g(x)0 \leq f(x) \leq g(x):

  • ∫g\int g 收斂 ⇒∫f\Rightarrow \int f 收斂
  • ∫f\int f 發散 ⇒∫g\Rightarrow \int g 發散

當積分本身難算但其界限容易時很有用。

應避免的常見錯誤

  • 把 ∞\infty 當成一個數:你不能「代入」∞\infty。必須使用極限。
  • 遺漏內部奇點:∫−111x dx\int_{-1}^1 \frac{1}{x}\,dx 在區間內部的 00 處有奇點。天真地計算會得到 00(錯誤)——實際上該積分發散。
  • 將「相消」的分段瑕積分相加:∫−∞∞x dx\int_{-\infty}^\infty x\,dx——兩半都發散,所以積分發散。「主值」是另一個(較弱的)概念。
  • pp 判別法方向錯誤:在 ∞\infty 處,1/xp1/x^p 當 p>1p > 1 收斂。在 00 處,當 p<1p < 1 收斂。兩者相反——兩個都要記。
  • 未先驗證收斂便積分:發散的瑕積分沒有值。務必先檢查收斂性。

Examples

Step 1: 將邊界以極限取代:lim⁡t→∞∫0te−x dx\lim_{t \to \infty} \int_0^t e^{-x}\,dx
Step 2: 計算反導函數:∫e−x dx=−e−x+C\int e^{-x}\,dx = -e^{-x} + C
Step 3: 套用邊界:lim⁡t→∞[−e−x]0t=lim⁡t→∞(−e−t+1)\lim_{t \to \infty} \left[-e^{-x}\right]_0^t = \lim_{t \to \infty}(-e^{-t} + 1)
Step 4: 當 t→∞t \to \infty 時,e−t→0e^{-t} \to 0,所以極限等於 11
Answer: 11(收斂)

Step 1: 套用 pp 判別法,p=1p = 1:∫1∞1/xp dx\int_1^\infty 1/x^p\,dx 收斂的充要條件為 p>1p > 1
Step 2: 此處 p=1p = 1,所以積分發散
Step 3: 以極限驗證:lim⁡t→∞[ln⁡x]1t=lim⁡t→∞ln⁡t=∞\lim_{t \to \infty} [\ln x]_1^t = \lim_{t \to \infty} \ln t = \infty
Answer: 發散

Step 1: 奇點在 x=0x = 0。在 00 處用 pp 判別法:1/xp1/x^p 收斂的充要條件為 p<1p < 1
Step 2: 此處 p=1/2<1p = 1/2 < 1,所以收斂
Step 3: 計算:lim⁡t→0+∫t1x−1/2 dx=lim⁡t→0+[2x]t1\lim_{t \to 0^+} \int_t^1 x^{-1/2}\,dx = \lim_{t \to 0^+} [2\sqrt{x}]_t^1
Step 4: =lim⁡t→0+(2−2t)=2= \lim_{t \to 0^+} (2 - 2\sqrt{t}) = 2
Answer: 22(收斂)

Frequently Asked Questions

若定義它的極限為有限值,則瑕積分收斂。否則它發散,意味著曲線下的面積為無窮或無定義。

p 判別法適用於 [1, ∞) 或 (0, 1] 上 ∫1/x^p 形式的積分。它最有用之處在於作為比較:若你的被積函數漸近上行為類似 1/x^p,便能快速判斷斂散性。

若 ∫|f| 收斂,則瑕積分絕對收斂。若 ∫f 收斂但 ∫|f| 發散,則它條件收斂。絕對收斂嚴格地更強。

可以——面積可以是無窮的。∫_1^∞ 1/x dx 是典型例子:曲線 y = 1/x 在 [1, ∞) 上處處為正,但其下方面積卻是無窮的(發散)。

Related Solvers

Related Guides

Try AI-Math for Free

Get step-by-step solutions to any math problem. Upload a photo or type your question.

Start Solving