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広義積分

通常の定積分は有限区間上の有界な関数を考えます。しかし、確率や微分方程式では無限区間や 1x\frac{1}{x} のような非有界関数が現れます。そこで、まず安全な有限区間で積分し、その端を限界へ近づけます。

Q基本:p積分★☆☆

∫1∞x−32dx\int_1^\infty x^{-\frac{3}{2}}dx の収束と値を求めてください。

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p=32p=\frac{3}{2} を使います。
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p>1p>1 なので収束し、値は 1p−1=2\frac{1}{p-1}=2 です。
Q標準:原点の特異点★★☆

∫01x−23dx\int_0^1x^{-\frac{2}{3}}dx を判定してください。

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00 を直接代入せず ε→0+\varepsilon\to0+ とします。
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p=23<1p=\frac{2}{3}<1 なので収束します。lim⁡ε→0+[3x13]ε1=3\lim_{\varepsilon\to0+}[3x^{\frac{1}{3}}]_\varepsilon^1=3 です。
Q発展:絶対収束★★★

∫1∞sin⁡xx2 dx\int_1^\infty \frac{\sin x}{x^2}\,dx が収束することを示してください。

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∣sin⁡x∣≤1|\sin x|\le1 と比較します。
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∣sin⁡xx2∣≤1x2|\frac{\sin x}{x^2}|\le\frac{1}{x^2} で、右辺の積分は収束します。したがって絶対収束し、元の積分も収束します。