Пусть
на интервале
. Тогда
1) если
сходится, то
сходится;
2) если
расходится, то
расходится.
Доказательство. 1) Если
сходится, то существует (конечная) площадь криволинейной трапеции Т под графиком функции
. Криволинейная трапеция под графиком функции
содержится в Т, следовательно и у нее площадь также конечна. Тем самым интеграл
сходится.
2) следует из 1) в силу логического принципа: импликация
эквивалентна импликации
(черта сверху – отрицание утверждения). Более подробно: если бы интеграл
сходился, то и интеграл
также бы сходился, согласно первому утверждению. Это, однако, противоречит условию. Противоречие показывает, что интеграл
должен расходится. □
Следствие. Пусть функции
кусочно непрерывны и имеют неотрицательные значения на полуинтервале
. Предположим, что существует предел
причём он отличен от 0. Тогда интегралы
и
ведут себя одинаково в смысле сходимости, т.е. либо оба сходятся, либо оба расходятся.
Аналогичное утверждение имеет место для полуинтервала (c,b].
Предложение об "эталонных" интегралах. Пусть a>0.
1. Интеграл
сходится тогда и только тогда, когда p>1.
2. Интеграл
сходится тогда и только тогда, когда p<1.
Доказательство. 1. Если
, то первообразная
подинтегральной функции
имеет конечный предел 0 при
. По формуле Ньютона-Лейбница для несобственных интегралов, получаем, что интеграл
сходится и равен
.
Если
, то первообразной подинтегральной функции служит
, который не имеет конечного предела на
. Для
то же самое можно сказать о первообразной
.
Аналогично, прямыми вычислениями доказывает второе утверждение.