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Matemáticas · Glosario

¿Qué es integral impropia?

Definición 9.1 Matemáticas universitarias — Grado 2 · Capítulo 9 — Integración

Sea ff continua a trozos sobre [a, b)\intco{a}{b} (b∈Rb \in \R o +∞+\infty). La integral converge cuando existe lim⁡x→b−∫axf\lim_{x \to b^-} \int_a^x f; se escribe entonces ∫abf\int_a^b f para el límite. (Análogamente sobre (a, b]\intoc{a}{b}, y sobre (a, b)\intoo{a}{b} separando en un punto interior; la elección no importa, por Chasles.) La integral converge absolutamente cuando converge ∫ab∣f∣\int_a^b \abs f; la convergencia absoluta implica la convergencia, por el criterio de Cauchy:

∣∫xyf∣≤∫xy∣f∣\Bigl| \int_x^{y} f \Bigr| \leq \int_x^{y} \abs f

y la completitud de R\R (la primitiva tiene la propiedad de Cauchy). En detalle: sean F(x)=∫axfF(x) = \int_a^x f y G(x)=∫ax∣f∣G(x) = \int_a^x \abs f. Si ∫b∣f∣\int^b\abs f converge, GG tiene límite en b−b^-, de modo que para todo ε>0\varepsilon > 0 existe c<bc < b con G(y)−G(x)≤εG(y) - G(x) \leq \varepsilon siempre que c≤x≤y<bc \leq x \leq y < b; la fórmula anterior transfiere esa propiedad de Cauchy a FF. Para cualquier sucesión xn→b−x_n \to b^-, los valores F(xn)F(x_n) forman entonces una sucesión de Cauchy de reales, convergente por completitud, e intercalar dos sucesiones así muestra que el límite es el mismo para todas: FF tiene límite en b−b^-.

Ejemplos

Ejemplo 9.3 (Dos calentamientos, hasta el final)

(a) ∫01ln⁡t  ⁣dt\displaystyle\int_0^1 \ln t\,\dd t: el integrando explota en 0+0^+, pero allí ∣ln⁡t∣=o(t−1/2)\abs{\ln t} = o\bigl(t^{-1/2}\bigr) (los logaritmos pierden frente a las potencias) y ∫0t−1/2\int_0 t^{-1/2} converge: convergencia absoluta. El valor, integrando por partes sobre [ε, 1]\intcc{\varepsilon}{1}:

∫ε1ln⁡t  ⁣dt=[tln⁡t−t]ε1=−1−εln⁡ε+ε→ε→0+−1.\int_\varepsilon^1 \ln t\,\dd t = \bigl[t\ln t - t\bigr]_\varepsilon^1 = -1 - \varepsilon\ln\varepsilon + \varepsilon \xrightarrow[\varepsilon\to0^+]{} -1 .

(b) ∫0∞ln⁡t1+t2  ⁣dt\displaystyle\int_0^\infty \frac{\ln t}{1 + t^2}\,\dd t: hay problemas en ambos extremos, así que se separa en 11. Cerca de 00: ∣ln⁡t∣\abs{\ln t} es integrable como en (a); cerca de ∞\infty: ln⁡t1+t2=o(t−3/2)\frac{\ln t}{1+t^2} = o(t^{-3/2}): absolutamente convergente. La sustitución t=1ut = \frac1u envía (0, 1)\intoo{0}{1} sobre (1, ∞)\intoo{1}{\infty} y

∫01ln⁡t1+t2  ⁣dt=∫1∞−ln⁡u1+u−2⋅ ⁣duu2=−∫1∞ln⁡u1+u2  ⁣du:\int_0^1 \frac{\ln t}{1+t^2}\,\dd t = \int_1^{\infty} \frac{-\ln u}{1 + u^{-2}}\cdot \frac{\dd u}{u^2} = -\int_1^\infty \frac{\ln u}{1+u^2}\,\dd u :

las dos mitades se cancelan y la integral vale 00. Moraleja: la simetría bajo t↦1tt \mapsto \frac1t vale por una página de cálculo; el mismo truco ya movía el Ejercicio 9.3.

Ejemplo 9.4 (Un valor, tres integrales)

Estudiemos I=∫0∞1−cos⁡tt2  ⁣dtI = \displaystyle\int_0^{\infty} \frac{1 - \cos t}{t^2}\,\dd t. En 00: 1−cos⁡t∼t221 - \cos t \sim \frac{t^2}2, de modo que el integrando se extiende continuamente con el valor 12\frac12: no hay singularidad alguna. En ∞\infty: 0≤1−cos⁡tt2≤2t20 \leq \frac{1 - \cos t}{t^2} \leq \frac{2}{t^2}: convergencia absoluta (Teorema 9.2). Valor: integremos por partes sobre [ε, M]\intcc{\varepsilon}{M} con u=1−cos⁡tu = 1 - \cos t y v′=t−2v' = t^{-2}:

∫εM1−cos⁡tt2  ⁣dt=[−1−cos⁡tt]εM+∫εMsin⁡tt  ⁣dt.\int_\varepsilon^M \frac{1 - \cos t}{t^2}\,\dd t = \Bigl[-\frac{1 - \cos t}{t}\Bigr]_\varepsilon^M + \int_\varepsilon^M \frac{\sin t}{t}\,\dd t .

El corchete se anula en ambos extremos (1−cos⁡εε∼ε2\frac{1 - \cos\varepsilon}{\varepsilon} \sim \frac\varepsilon2; numerador acotado en MM) y la integral tiende al valor de Dirichlet π2\frac\pi2 (Ejercicio 9.10): I=π2I = \frac\pi2. Moraleja: con 1−cos⁡t=2sin⁡2t21 - \cos t = 2\sin^2\frac t2 y u=t2u = \frac t2,

I=∫0∞2sin⁡2u(2u)2  2  ⁣du=∫0∞(sin⁡uu) ⁣2 ⁣du:I = \int_0^\infty \frac{2\sin^2 u}{(2u)^2}\;2\,\dd u = \int_0^\infty \Bigl(\frac{\sin u}{u}\Bigr)^{\!2}\dd u :

los tres clásicos ∫0∞sin⁡tt ⁣dt\int_0^\infty\frac{\sin t}{t}\dd t, ∫0∞(sin⁡tt)2 ⁣dt\int_0^\infty\bigl(\frac{\sin t}{t}\bigr)^2\dd t (Ejercicio 9.11) e II comparten el valor π2\frac\pi2, que se pasan unos a otros por partes y por sustitución; y solo el primero es semiconvergente: la integración por partes cambió la convergencia absoluta por un integrando más sencillo.

Ejemplo 9.5 (Una integral semiconvergente)

∫1∞sin⁡tt  ⁣dt\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{\sin t}{t}\,\dd t converge: integrando por partes,

∫1xsin⁡tt ⁣dt=[−cos⁡tt]1x−∫1xcos⁡tt2 ⁣dt,\int_1^x \frac{\sin t}{t}\dd t = \Bigl[\frac{-\cos t}{t}\Bigr]_1^x - \int_1^x \frac{\cos t}{t^2}\dd t ,

donde el corchete tiene límite y la última integral converge absolutamente (∣cos⁡t∣/t2≤t−2\abs{\cos t}/t^2 \leq t^{-2}). Pero no absolutamente: de ∣sin⁡t∣≥sin⁡2t\abs{\sin t} \geq \sin^2 t,

∫1x∣sin⁡t∣t  ⁣dt  ≥  ∫1xsin⁡2tt  ⁣dt=∫1x ⁣dt2t⏟= 12ln⁡x → ∞  −  ∫1xcos⁡2t2t  ⁣dt⏟convergente,\int_1^x \frac{\abs{\sin t}}{t}\,\dd t \;\geq\; \int_1^x \frac{\sin^2t}{t}\,\dd t = \underbrace{\int_1^x \frac{\dd t}{2t}}_{=\ \frac12\ln x \ \to\ \infty} \;-\; \underbrace{\int_1^x \frac{\cos 2t}{2t}\,\dd t}_{\text{convergente}} ,

donde la última integral converge por la misma integración por partes de antes (con sin⁡2t\sin 2t en el corchete): una pieza divergente menos una convergente diverge. Así pues, ∫1∞sin⁡tt ⁣dt\int_1^\infty\frac{\sin t}{t}\dd t converge sin converger absolutamente: el análogo integral de la serie alternada, con la integración por partes en el papel del criterio de las alternadas.

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