Zij f stuksgewijs continu op [a,b) (b∈R of +∞). De integraal convergeert wanneer limx→b−∫axf bestaat; men schrijft dan ∫abf voor de limiet. (Evenzo op (a,b], en op (a,b) door in een inwendig punt te splitsen — de keuze doet er dankzij Chasles niet toe.) De integraal convergeert absoluut wanneer ∫ab∣f∣ convergeert; absolute convergentie impliceert convergentie, via het cauchycriterium:
∫xyf≤∫xy∣f∣
en de volledigheid van R (de primitieve heeft de cauchy-eigenschap). In detail: zij F(x)=∫axf en G(x)=∫ax∣f∣. Convergeert ∫b∣f∣, dan heeft G een limiet in b−, dus is er bij elke ε>0 een c<b met G(y)−G(x)≤ε zodra c≤x≤y<b; de formule hierboven draagt die cauchy-eigenschap over op F. Voor elke rij xn→b− vormen de waarden F(xn) dan een cauchyrij reële getallen, convergent wegens de volledigheid, en het vervlechten van twee zulke rijen laat zien dat de limiet voor alle rijen dezelfde is: F heeft dus een limiet in b−.
Voorbeelden
Voorbeeld 9.3(Twee opwarmers, tot het eind uitgewerkt)
(a)∫01lntdt: de integrand explodeert in 0+, maar daar is ∣lnt∣=o(t−1/2) (logaritmen verliezen van machten) en ∫0t−1/2convergeert: dus absolute convergentie. De waarde, met partiële integratie op [ε,1]:
∫ε1lntdt=[tlnt−t]ε1=−1−εlnε+εε→0+−1.
(b)∫0∞1+t2lntdt: problemen aan beide uiteinden, dus splits bij 1. Bij 0 is ∣lnt∣ integreerbaar als in (a); bij ∞ is 1+t2lnt=o(t−3/2): dus absoluut convergent. De substitutie t=u1 beeldt (0,1) af op (1,∞) en
de twee helften heffen elkaar op, en de integraal is 0. Het inzicht om te onthouden: de symmetrie onder t↦t1 is een bladzijde rekenwerk waard — dezelfde truc dreef al Oefening 9.3 aan.
Voorbeeld 9.4(Eén waarde, drie integralen)
Bestudeer I=∫0∞t21−costdt. Bij 0 is 1−cost∼2t2, dus laat de integrand zich continu voortzetten met de waarde 21 — helemaal geen singulariteit. Bij ∞ is 0≤t21−cost≤t22: absolute convergentie (Stelling 9.2). De waarde: integreer partieel op [ε,M] met u=1−cost en v′=t−2:
∫εMt21−costdt=[−t1−cost]εM+∫εMtsintdt.
De haak verdwijnt aan beide uiteinden (ε1−cosε∼2ε; begrensde teller bij M), en de integraal gaat naar de waarde van Dirichlet 2π (Oefening 9.10): dus I=2π. Het inzicht om te onthouden: met 1−cost=2sin22t en u=2t is
I=∫0∞(2u)22sin2u2du=∫0∞(usinu)2du:
de drie klassiekers ∫0∞tsintdt, ∫0∞(tsint)2dt (Oefening 9.11) en I delen alle de waarde 2π, doorgegeven met partiële integratie en substitutie — en alleen de eerste is halfconvergent: de partiële integratie ruilde de absolute convergentie in voor een eenvoudiger integrand.
waarbij de laatste integraal convergeert dankzij dezelfde partiële integratie als hierboven (met sin2t in de haak): een divergent stuk min een convergent stuk divergeert. Dus convergeert∫1∞tsintdt zonder absoluut te convergeren — de integraaltegenhanger van de alternerende reeks, waarbij de partiële integratie de rol van de alternerende test speelt.