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C.14 Integrali impropri
C.14 Integrali impropri Pag. 375 ←− Esempio di funzione integrabile ma non assolutamente integrabile Vogliamo verificare che Z +∞ sin x dx x 1 converge, ma +∞ Z +∞ 1 sin x x dx diverge. sin x dx converge. Integriamo per parti su ogni x intervallo [1, a] con a > 1, ponendo f (x) = x1 e g 0 (x) = sin x; in tal modo si ha f 0 (x) = − x12 e g(x) = − cos x. Pertanto Z a Z a cos x cos x a sin x − dx = − dx ; x x x2 1 1 1 Verifichiamo dapprima che Z 1 l’ultimo integrale converge per quanto visto nell’Esempio 10.8. Dunque la funzione sin x risulta integrabile in senso improprio su [1, +∞). x sin x Dimostriamo ora che non è assolutamente integrabile su [1, +∞). Infatti, x poiché, per ogni x, | sin x| ≤ 1, si ha sin x sin2 x 1 1 − cos 2x . x ≥ x = 2 x Z +∞ 1 − cos 2x Mostreremo che l’integrale dx diverge e quindi per il Criterio del x 1 Z +∞ sin x confronto (Teorema 10.5) anche l’integrale x dx diverge. Infatti si ha 1 Z +∞ Z +∞ Z +∞ 1 − cos 2x 1 cos 2x dx = dx − dx . x x x 1 1 1 2 C.14 Integrali impropri Il primo integrale diverge, mentre con un procedimento analogo Z +∞a quello usato 1 − cos 2x dx sopra si verifica che il secondo integrale converge. Dunque x 1 sin x diverge e la funzione non è assolutamente integrabile. 2 x Pag. 375 ←− Dimostrazione del Teorema 10.10 Teorema 10.10 (Criterio del confronto asintotico) Sia f ∈ Rloc ([a, +∞)). Supponiamo che f abbia ordine di infinitesimo α per x → +∞ rispetto all’infini1 tesimo campione ϕ(x) = . x i) Se α > 1, allora f ∈ R([a, +∞)); Z +∞ ii) se α ≤ 1, allora f (x) dx diverge. a Dimostrazione. Poiché f (x) ∼ x1α per x → +∞, possiamo supporre che la funzione f sia di segno costante per x sufficientemente grande, ad esempio per x > A > 0. Non è restrittivo supporre f strettamente positiva, altrimenti operiamo un cambiamento di segno. Inoltre, per x → +∞, f (x) ∼ 1 xα ⇒ f (x) = O 1 xα e 1 = O f (x) , xα ovvero esistono due costanti c1 , c2 positive tali che c1 c2 ≤ f (x) ≤ α , α x x ∀x > A . È allora sufficiente applicare il Criterio del confronto (Teorema 10.5), usando i risultati dell’Esempio 10.4, per ottenere la tesi. 2