Wiskunde · Begrippenlijst

Wat is oneigenlijke integraal?

Definitie 9.1 Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2 · Hoofdstuk 9 — Integratie

Zij ff stuksgewijs continu op [a,b)\intco{a}{b} (bRb \in \R of ++\infty). De integraal convergeert wanneer limxbaxf\lim_{x \to b^-} \int_a^x f bestaat; men schrijft dan abf\int_a^b f voor de limiet. (Evenzo op (a,b]\intoc{a}{b}, en op (a,b)\intoo{a}{b} door in een inwendig punt te splitsen — de keuze doet er dankzij Chasles niet toe.) De integraal convergeert absoluut wanneer abf\int_a^b \abs f convergeert; absolute convergentie impliceert convergentie, via het cauchycriterium:

xyfxyf\Bigl| \int_x^{y} f \Bigr| \leq \int_x^{y} \abs f

en de volledigheid van R\R (de primitieve heeft de cauchy-eigenschap). In detail: zij F(x)=axfF(x) = \int_a^x f en G(x)=axfG(x) = \int_a^x \abs f. Convergeert bf\int^b\abs f, dan heeft GG een limiet in bb^-, dus is er bij elke ε>0\varepsilon > 0 een c<bc < b met G(y)G(x)εG(y) - G(x) \leq \varepsilon zodra cxy<bc \leq x \leq y < b; de formule hierboven draagt die cauchy-eigenschap over op FF. Voor elke rij xnbx_n \to b^- vormen de waarden F(xn)F(x_n) 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: FF heeft dus een limiet in bb^-.

Voorbeelden

Voorbeeld 9.3 (Twee opwarmers, tot het eind uitgewerkt)

(a) 01lnt ⁣dt\displaystyle\int_0^1 \ln t\,\dd t: de integrand explodeert in 0+0^+, maar daar is lnt=o(t1/2)\abs{\ln t} = o\bigl(t^{-1/2}\bigr) (logaritmen verliezen van machten) en 0t1/2\int_0 t^{-1/2} convergeert: dus absolute convergentie. De waarde, met partiële integratie op [ε,1]\intcc{\varepsilon}{1}:

ε1lnt ⁣dt=[tlntt]ε1=1εlnε+εε0+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) 0lnt1+t2 ⁣dt\displaystyle\int_0^\infty \frac{\ln t}{1 + t^2}\,\dd t: problemen aan beide uiteinden, dus splits bij 11. Bij 00 is lnt\abs{\ln t} integreerbaar als in (a); bij \infty is lnt1+t2=o(t3/2)\frac{\ln t}{1+t^2} = o(t^{-3/2}): dus absoluut convergent. De substitutie t=1ut = \frac1u beeldt (0,1)\intoo{0}{1} af op (1,)\intoo{1}{\infty} en

01lnt1+t2 ⁣dt=1lnu1+u2 ⁣duu2=1lnu1+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 :

de twee helften heffen elkaar op, en de integraal is 00. Het inzicht om te onthouden: de symmetrie onder t1tt \mapsto \frac1t is een bladzijde rekenwerk waard — dezelfde truc dreef al Oefening 9.3 aan.

Voorbeeld 9.4 (Eén waarde, drie integralen)

Bestudeer I=01costt2 ⁣dtI = \displaystyle\int_0^{\infty} \frac{1 - \cos t}{t^2}\,\dd t. Bij 00 is 1costt221 - \cos t \sim \frac{t^2}2, dus laat de integrand zich continu voortzetten met de waarde 12\frac12 — helemaal geen singulariteit. Bij \infty is 01costt22t20 \leq \frac{1 - \cos t}{t^2} \leq \frac{2}{t^2}: absolute convergentie (Stelling 9.2). De waarde: integreer partieel op [ε,M]\intcc{\varepsilon}{M} met u=1costu = 1 - \cos t en v=t2v' = t^{-2}:

εM1costt2 ⁣dt=[1costt]εM+εMsintt ⁣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 .

De haak verdwijnt aan beide uiteinden (1cosεεε2\frac{1 - \cos\varepsilon}{\varepsilon} \sim \frac\varepsilon2; begrensde teller bij MM), en de integraal gaat naar de waarde van Dirichlet π2\frac\pi2 (Oefening 9.10): dus I=π2I = \frac\pi2. Het inzicht om te onthouden: met 1cost=2sin2t21 - \cos t = 2\sin^2\frac t2 en u=t2u = \frac t2 is

I=02sin2u(2u)2  2 ⁣du=0(sinuu) ⁣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 :

de drie klassiekers 0sintt ⁣dt\int_0^\infty\frac{\sin t}{t}\dd t, 0(sintt)2 ⁣dt\int_0^\infty\bigl(\frac{\sin t}{t}\bigr)^2\dd t (Oefening 9.11) en II delen alle de waarde π2\frac\pi2, doorgegeven met partiële integratie en substitutie — en alleen de eerste is halfconvergent: de partiële integratie ruilde de absolute convergentie in voor een eenvoudiger integrand.

Voorbeeld 9.5 (Een halfconvergente integraal)

1sintt ⁣dt\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{\sin t}{t}\,\dd t convergeert: integreer partieel,

1xsintt ⁣dt=[costt]1x1xcostt2 ⁣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 ,

waarbij de haak een limiet heeft en de laatste integraal absoluut convergeert (cost/t2t2\abs{\cos t}/t^2 \leq t^{-2}). Maar niet absoluut: uit sintsin2t\abs{\sin t} \geq \sin^2 t volgt

1xsintt ⁣dt    1xsin2tt ⁣dt=1x ⁣dt2t= 12lnx      1xcos2t2t ⁣dtconvergent,\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{convergent}} ,

waarbij de laatste integraal convergeert dankzij dezelfde partiële integratie als hierboven (met sin2t\sin 2t in de haak): een divergent stuk min een convergent stuk divergeert. Dus convergeert 1sintt ⁣dt\int_1^\infty\frac{\sin t}{t}\dd t zonder absoluut te convergeren — de integraaltegenhanger van de alternerende reeks, waarbij de partiële integratie de rol van de alternerende test speelt.

Lees in het hoofdstuk →