題目
Problem
二、計算證明題
2.(12 分)
(a) 令 β>α>0。證明存在 θ0=θ0(α,β) 使得
∫αβθ2cosθdθ=(cosθ0)(α1−β1).
(b) 利用上式證明 ∫1∞θ2cosθdθ 收斂。
(c) 令 M>1。導出
∫1Mθsinθdθ=cos1−McosM−∫1Mθ2cosθdθ
。
(d) 證明 ∫1∞θsinθdθ 與 ∫0∞θsinθdθ 皆收斂。
解答
解法一
思路
- (a) 把 1/θ2 視為正權重,對 cosθ 使用積分中值定理。
- (b) 以 (a) 給出的尾端估計證明柯西收斂;(c) 分部積分後即可把 (d) 化為已證收斂的積分。
答題過程
展開
(a) cosθ 連續、1/θ2>0,加權積分中值定理給出某個 θ0∈(α,β) 使
∫αβθ2cosθdθ=cosθ0∫αβθ21dθ=(cosθ0)(α1−β1).
(b) 因此其絕對值不超過 1/α−1/β;令 α,β→∞,尾端趨於零,故積分收斂。
(c) 分部積分(u=1/θ、dv=sinθdθ)得
∫1Mθsinθdθ=cos1−McosM−∫1Mθ2cosθdθ.
(d) 當 M→∞ 時 cosM/M→0,再用 (b),故 ∫1∞sinθ/θdθ 收斂;sinθ/θ 在 0 可延拓為連續函數 1,故加上 [0,1] 的定積分後,∫0∞sinθ/θdθ 亦收斂。