EssayAI
Блог
Блог
Математика и алгоритмы

Несобственный интеграл первого рода: сходимость

11 июня 2026Время чтения: 8 минут
#несобственный интеграл#сходимость интеграла#первый род#p-тест#признак сравнения

Несобственный интеграл первого рода - это определённый интеграл, у которого хотя бы один предел интегрирования бесконечен: ∫a∞f(x) dx\int_a^{\infty} f(x)\,dx, ∫−∞bf(x) dx\int_{-\infty}^{b} f(x)\,dx или ∫−∞∞f(x) dx\int_{-\infty}^{\infty} f(x)\,dx. Привычная формула Ньютона-Лейбница тут напрямую не работает: подставить ∞\infty как число нельзя. Поэтому такой интеграл определяют через предел, и главный вопрос почти любой задачи звучит так: существует ли этот предел, то есть сходится интеграл или расходится. Ниже разберём определение, основной инструмент проверки (p-тест для степенной функции), признак сравнения и места, где студенты ошибаются чаще всего. Чтобы сразу почувствовать, от чего зависит ответ, покрутите калькулятор ниже: он показывает площадь под кривой до подвижной границы и график накопления значения, на котором видно, выходит интеграл на конечный потолок или растёт без предела.

Определение через предел

Несобственный интеграл первого рода вводится как предел обычного определённого интеграла, у которого верхняя граница уходит в бесконечность:

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

Если этот предел существует и конечен, интеграл называют сходящимся, а его значение равно найденному пределу. Если предела нет или он бесконечен, интеграл расходится. Аналогично для нижнего бесконечного предела: ∫−∞bf(x) dx=lim⁡a→−∞∫abf(x) dx\int_{-\infty}^{b} f(x)\,dx = \lim_{a\to-\infty} \int_a^{b} f(x)\,dx. Интеграл с двумя бесконечными пределами разбивают точкой cc на два и требуют сходимости каждого по отдельности:

∫−∞∞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.

Ключевая идея, которую важно удержать: значение несобственного интеграла - это площадь под графиком на бесконечном промежутке. Парадокс в том, что бесконечно длинная фигура может иметь конечную площадь, если функция достаточно быстро убывает к нулю. Именно это и проверяет исследование на сходимость.

Степенной интеграл и p-тест

Эталон, к которому сводится огромная доля задач, - степенной интеграл ∫1∞dxxp\int_1^{\infty} \dfrac{dx}{x^p}. Для него ответ известен в зависимости от показателя pp:

∫1∞dxxp={1p−1,p>1 (сходится),+∞,p≤1 (расходится).\int_1^{\infty} \frac{dx}{x^p} = \begin{cases} \dfrac{1}{p-1}, & p > 1 \ (\text{сходится}), \\[4pt] +\infty, & p \le 1 \ (\text{расходится}). \end{cases}

Это и есть p-тест: степенной несобственный интеграл первого рода сходится тогда и только тогда, когда p>1p > 1. Граница проходит ровно по p=1p = 1: интеграл ∫1∞dxx\int_1^{\infty} \dfrac{dx}{x} расходится, хотя подынтегральная функция стремится к нулю. Само по себе условие f(x)→0f(x) \to 0 при x→∞x \to \infty необходимо, но недостаточно для сходимости - функция должна убывать достаточно быстро.

Верхняя граница b ползёт вправо, к бесконечности. Площадь под кривой 1/x² заполняется, но накопленное значение справа упирается в золотой потолок S = 1 и не переходит его: бесконечный хвост, конечная площадь

На видео видно главное: для сходящегося случая (p=2p = 2) с ростом границы bb накопленная площадь приближается к горизонтальному потолку S=1S = 1 и никогда его не превышает. Хвост за границей бесконечен, но добавляет всё меньше и меньше, поэтому сумма остаётся конечной. Откуда берётся S=1S = 1, легко проверить напрямую: первообразная x−2x^{-2} равна −x−1-x^{-1}, поэтому

∫1bdxx2=[−1x]1b=1−1b→b→∞1.\int_1^{b} \frac{dx}{x^2} = \left[-\frac{1}{x}\right]_1^{b} = 1 - \frac{1}{b} \xrightarrow{b\to\infty} 1.

Для общего нижнего предела a>0a > 0 предел получается чуть шире: ∫a∞dxxp=a1−pp−1\int_a^{\infty} \dfrac{dx}{x^p} = \dfrac{a^{1-p}}{p-1} при p>1p > 1. Этой же формулой считает и калькулятор выше - подвигайте показатель pp и нижний предел aa, чтобы сверить значения.

Как исследовать интеграл на сходимость

Алгоритм для несобственного интеграла первого рода почти всегда один и тот же:

  1. Найдите первообразную F(x)F(x) подынтегральной функции, если она берётся в элементарных функциях.
  2. Подставьте пределы и вычислите предел при b→∞b \to \infty: lim⁡b→∞(F(b)−F(a))\lim_{b\to\infty} \big(F(b) - F(a)\big).
  3. Сделайте вывод: предел конечен - интеграл сходится и равен ему; предел бесконечен или не существует - расходится.

Этот прямой путь работает, когда первообразная известна. Например, для экспоненты:

∫0∞e−λx dx=lim⁡b→∞[−1λe−λx]0b=1λ(λ>0).\int_0^{\infty} e^{-\lambda x}\,dx = \lim_{b\to\infty}\left[-\frac{1}{\lambda}e^{-\lambda x}\right]_0^{b} = \frac{1}{\lambda} \quad (\lambda > 0).

Экспонента убывает быстрее любой степени, поэтому такой интеграл всегда сходится при λ>0\lambda > 0. А вот ∫1∞cos⁡x dx\int_1^{\infty} \cos x\,dx расходится: первообразная sin⁡b\sin b предела при b→∞b \to \infty не имеет, она вечно колеблется между −1-1 и 11.

p-тест на одной картинке: кривые 1/√x и 1/x дают расходящиеся интегралы, а 1/x² сходится, и площадь под ним равна 1
p-тест на одной картинке: кривые 1/√x и 1/x дают расходящиеся интегралы, а 1/x² сходится, и площадь под ним равна 1

На этом сравнении наглядно видно, почему граница проходит по p=1p = 1. Кривые 1/x1/\sqrt{x} и 1/x1/x убывают слишком медленно: их хвосты дают бесконечную площадь. А 1/x21/x^2 убывает быстрее, и площадь под ним от 11 до бесконечности конечна и равна единице.

Признак сравнения

Когда первообразная не берётся (а это типичная ситуация для дробей вроде 1x2+1\dfrac{1}{x^2+1} или ln⁡xx3\dfrac{\ln x}{x^3}), исследовать сходимость помогает признак сравнения. Идея: если функцию зажать между нулём и эталоном с известным поведением, она наследует сходимость или расходимость эталона.

Пусть 0≤f(x)≤g(x)0 \le f(x) \le g(x) на [a,∞)[a, \infty). Тогда:

  • если ∫a∞g(x) dx\int_a^{\infty} g(x)\,dx сходится, то и ∫a∞f(x) dx\int_a^{\infty} f(x)\,dx сходится (меньшая площадь конечна, раз конечна большая);
  • если ∫a∞f(x) dx\int_a^{\infty} f(x)\,dx расходится, то и ∫a∞g(x) dx\int_a^{\infty} g(x)\,dx расходится.

На практике удобнее предельный признак сравнения: если существует конечный ненулевой предел lim⁡x→∞f(x)g(x)=c\lim_{x\to\infty} \dfrac{f(x)}{g(x)} = c, то интегралы от ff и gg ведут себя одинаково - сходятся или расходятся вместе. Эталоном почти всегда берут степенную функцию 1/xp1/x^p, к которой и применяют p-тест. Например, 1x2+1\dfrac{1}{x^2+1} на бесконечности ведёт себя как 1x2\dfrac{1}{x^2}, значит ∫1∞dxx2+1\int_1^{\infty} \dfrac{dx}{x^2+1} сходится; а 1x2+1\dfrac{1}{\sqrt{x^2+1}} ведёт себя как 1x\dfrac{1}{x} и потому расходится.

Пример с заменой переменной

Не всякий интеграл сразу выглядит как степенной, но многие сводятся к нему заменой. Разберём коварный пример ∫2∞dxxln⁡x\int_2^{\infty} \dfrac{dx}{x\ln x}. На первый взгляд знаменатель растёт быстрее xx, и хочется сказать «сходится». Сделаем замену t=ln⁡xt = \ln x, тогда dt=dxxdt = \dfrac{dx}{x}, а пределы превращаются в t=ln⁡2t = \ln 2 и t→∞t \to \infty:

∫2∞dxxln⁡x=∫ln⁡2∞dtt.\int_2^{\infty} \frac{dx}{x\ln x} = \int_{\ln 2}^{\infty} \frac{dt}{t}.

Справа - тот самый эталон с p=1p = 1, который расходится. Значит, исходный интеграл тоже расходится, хотя его подынтегральная функция убывает чуть быстрее 1/x1/x. Этого «чуть» не хватает: логарифм растёт слишком медленно, чтобы вытянуть интеграл к сходимости. А вот ∫2∞dxxln⁡2x\int_2^{\infty} \dfrac{dx}{x\ln^2 x} той же заменой сводится к ∫ln⁡2∞dtt2\int_{\ln 2}^{\infty} \dfrac{dt}{t^2} с p=2p = 2 и уже сходится. Эта пара - хороший тест на понимание: разница только в степени логарифма, а судьба интеграла противоположна.

Абсолютная и условная сходимость

Если подынтегральная функция меняет знак, удобно сначала проверить интеграл от модуля. Интеграл ∫a∞f(x) dx\int_a^{\infty} f(x)\,dx называют абсолютно сходящимся, если сходится ∫a∞∣f(x)∣ dx\int_a^{\infty} |f(x)|\,dx. Абсолютная сходимость всегда влечёт обычную, и это сильное свойство: модуль убирает колебания знака, после чего работает признак сравнения. Если же сам интеграл сходится, а от модуля - нет, сходимость называют условной. Классический пример условно сходящегося интеграла - ∫1∞sin⁡xx dx\int_1^{\infty} \dfrac{\sin x}{x}\,dx: он сходится по признаку Дирихле для несобственных интегралов, но интеграл от ∣sin⁡xx∣\left|\dfrac{\sin x}{x}\right| расходится. В стандартных задачах чаще требуется именно абсолютная сходимость, поэтому начинать проверку с модуля - надёжная стратегия.

Частые ошибки

  • Считают, что f(x)→0f(x) \to 0 достаточно для сходимости. Это лишь необходимое условие. У 1/x1/x предел нуля есть, а интеграл расходится: функция убывает слишком медленно.
  • Забывают про границу p=1p = 1. При p=1p = 1 степенной интеграл расходится, а не сходится. Знак в p-тесте строгий: нужно именно p>1p > 1.
  • Подставляют ∞\infty как число. Нельзя писать F(∞)F(\infty); корректно - брать предел lim⁡b→∞F(b)\lim_{b\to\infty} F(b) и проверять, что он конечен.
  • Делят промежуток неверно. Для ∫−∞∞\int_{-\infty}^{\infty} требуется сходимость обоих кусков по отдельности; нельзя усреднять симметрично и считать главное значение за обычную сходимость.
  • Путают первый и второй род. Первый род - бесконечный предел интегрирования; второй - неограниченная функция (разрыв) на конечном промежутке. Признаки похожи, но эталон и точка проверки разные.

FAQ

Когда несобственный интеграл первого рода сходится? Когда существует и конечен предел lim⁡b→∞∫abf(x) dx\lim_{b\to\infty}\int_a^{b} f(x)\,dx. Для степенного эталона ∫1∞dx/xp\int_1^{\infty} dx/x^p это происходит при p>1p > 1. В общем случае функция должна убывать на бесконечности быстрее, чем 1/x1/x.

Чем первый род отличается от второго? У интеграла первого рода бесконечен промежуток интегрирования (один или оба предела), а подынтегральная функция ограничена. У второго рода промежуток конечный, но функция уходит в бесконечность в какой-то точке. Методы исследования похожи, но эталонные интегралы и точка, около которой берут предел, разные.

Что делать, если первообразная не берётся? Применять признак сравнения - обычный или предельный. Подбирают эталон 1/xp1/x^p с тем же поведением на бесконечности и переносят на исходный интеграл вывод p-теста. Для знакопеременных функций сначала проверяют абсолютную сходимость через модуль.

Коротко

Несобственный интеграл первого рода - это интеграл с бесконечным пределом, определённый через предел обычного определённого интеграла. Он сходится, если этот предел конечен. Главный инструмент - p-тест: степенной интеграл ∫1∞dx/xp\int_1^{\infty} dx/x^p сходится при p>1p > 1 и расходится при p≤1p \le 1, а граница проходит ровно по p=1p = 1. Когда первообразная не берётся, работает признак сравнения со степенным эталоном, а для знакопеременных функций - проверка абсолютной сходимости. Стремление функции к нулю необходимо, но не гарантирует сходимости: важна скорость убывания хвоста.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также

Интегральный косинус Ci(x): формула и вычисление

Интегральный косинус Ci(x): формула и вычисление

Интегральный косинус Ci(x): определение через несобственный интеграл, ряд Тейлора, первый нуль и асимптотика при больших x. Разбираем формулы и считаем значения на калькуляторе.

11 июня 20268 минут
Агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG и GROUP BY

Агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG и GROUP BY

Как работают агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG, MIN и MAX, группировка GROUP BY, порядок выполнения запроса, разница HAVING и WHERE и поведение NULL внутри агрегата.

24 сентября 20269 минут
Интегральный синус Si(x): ряд Тейлора и максимум

Интегральный синус Si(x): ряд Тейлора и максимум

Интегральный синус Si(x): почему интеграл sin t / t не берётся в элементарных функциях, разложение в ряд, предел π/2, максимум Si(π) и выброс Гиббса. С калькулятором.

24 сентября 202610 минут
Куча как структура данных: массив и просеивание

Куча как структура данных: массив и просеивание

Куча как структура данных: свойство кучи, хранение в обычном массиве и индексы 2i+1 и 2i+2, просеивание sift-up и sift-down, построение за O(n) и приоритетная очередь.

24 сентября 202610 минут
Линейная зависимость векторов: критерии и примеры

Линейная зависимость векторов: критерии и примеры

Что такое линейная зависимость векторов, как проверить её определителем и рангом матрицы, чем коллинеарность отличается от компланарности и как всё это связано с базисом.

24 сентября 202610 минут
Линейное уравнение второго порядка: общее решение

Линейное уравнение второго порядка: общее решение

Как решить линейное однородное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами: характеристическое уравнение, три случая корней, фундаментальная система и задача Коши с разбором.

24 сентября 202612 минут