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Matemáticas · Glosario

¿Qué es función integrable?

Definición 10.9 Matemáticas universitarias — Grado 3 · Capítulo 10 — La integral de Lebesgue

Una f ⁣:X→Rf \colon X \to \R medible (o C\C) es integrable si ∫∣f∣  ⁣dμ<∞\int\abs f\,\dd\mu < \infty; entonces ∫f=∫f+−∫f−\int f = \int f^+ - \int f^- (partes positiva y negativa; partes real e imaginaria en el caso complejo). La integral es lineal sobre las funciones integrables (descompóngase y recombínense partes positivas; el caso complejo se reduce al real) y cumple ∣∫f∣≤∫∣f∣\abs{\int f} \leq \int\abs f (caso real: ±∫f=∫(±f)≤∫∣f∣\pm\int f = \int(\pm f) \leq \int\abs f; caso complejo: multiplíquese por una constante unimodular para hacer real la integral). Una propiedad se cumple en casi todo punto (c.t.p.) si solo falla sobre un conjunto μ\mu-nulo; modificar ff sobre un conjunto nulo no cambia ninguna integral (la diferencia está dominada por ∞⋅1N\infty\cdot\mathbf 1_N, de integral 00).

Ejemplos

Ejemplo 10.13

1Q\mathbf 1_\Q no es continua en ningún punto: no es integrable Riemann — pero es trivial para Lebesgue: ∫1Q  ⁣dλ=λ(Q)=0\int\mathbf 1_\Q\,\dd\lambda = \lambda(\Q) = 0. La función de Thomae ( 1q\frac1q en los racionales pq\frac pq, 00 en el resto) es continua exactamente en los irracionales: es integrable Riemann con integral 00. Y las integrales de Riemann impropias son una noción distinta: ∫0∞sin⁡xx  ⁣dx\int_0^\infty\frac{\sin x}x\,\dd x converge como límite de ∫0A\int_0^A (el problema de fin de semana la calcula: vale =π2= \frac\pi2), pero sin⁡xx∉L1((0, +∞))\frac{\sin x}x \notin L^1(\intoo0{+\infty}): la integral absoluta diverge como la serie armónica (el Ejercicio 10.6). La teoría de Lebesgue cambia la convergencia condicional por teoremas de límite robustos.

Ejemplo 10.16 (La función Gamma)

Para t>0t > 0, póngase

Γ(t)=∫0+∞xt−1e−x  ⁣dx.\Gamma(t) = \int_0^{+\infty} x^{t-1}\eu^{-x}\,\dd x .

La integral converge: cerca de 00, xt−1x^{t-1} es integrable (t>0t > 0); y en el infinito, xt−1e−x≤Ce−x/2x^{t-1}\eu^{-x} \leq C\eu^{-x/2}. La integración por partes (en [ε,A][\varepsilon, A] y después el límite por convergencia monótona) da la ecuación funcional Γ(t+1)=t Γ(t)\Gamma(t + 1) = t\,\Gamma(t), de donde Γ(n+1)=n!\Gamma(n+1) = n!: el factorial interpolado. En todo [a, b]⊆(0, +∞)\intcc ab \subseteq \intoo0{+\infty}, ∂t(xt−1e−x)=ln⁡x⋅xt−1e−x\partial_t\bigl(x^{t-1}\eu^{-x}\bigr) = \ln x\cdot x^{t-1}\eu^{-x} está dominada por ∣ln⁡x∣(xa−1+xb−1)e−x\abs{\ln x}(x^{a-1} + x^{b-1})\eu^{-x}, que es integrable: Γ\Gamma es C1\mathcal C^1 y, por inducción, C∞\mathcal C^\infty, con Γ(k)(t)=∫0∞(ln⁡x)kxt−1e−x ⁣dx\Gamma^{(k)}(t) = \int_0^\infty(\ln x)^kx^{t-1}\eu^{-x}\dd x. El valor Γ(12)=π\Gamma(\frac12) = \sqrt\pi es la integral gaussiana disfrazada (el Problema 10.1).

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