Matemática · Glossário

O que é função integrável?

Definição 10.9 Matemática universitária — Graduação 3 · Capítulo 10 — A integral de Lebesgue

Uma função mensurável f ⁣:XRf \colon X \to \R (ou a valores em C\C) é integrável se f ⁣dμ<\int\abs f\,\dd\mu < \infty; então f=f+f\int f = \int f^+ - \int f^- (partes positiva e negativa; partes real e imaginária no caso complexo). A integral é linear nas funções integráveis (decomponha e recombine as partes positivas; o caso complexo se reduz ao real) e satisfaz ff\abs{\int f} \leq \int\abs f (caso real: ±f=(±f)f\pm\int f = \int(\pm f) \leq \int\abs f; caso complexo: multiplique por uma constante unimodular para tornar a integral real). Uma propriedade vale quase em toda parte (q.t.p.) se falha apenas em um conjunto μ\mu-nulo; modificar ff em um conjunto nulo não altera integral alguma (a diferença é dominada por 1N\infty\cdot\mathbf 1_N, de integral 00).

Exemplos

Exemplo 10.13

1Q\mathbf 1_\Q não é contínua em ponto algum: não é Riemann-integrável — mas é trivial para Lebesgue: 1Q ⁣dλ=λ(Q)=0\int\mathbf 1_\Q\,\dd\lambda = \lambda(\Q) = 0. A função de Thomae ( 1q\frac1q nos racionais pq\frac pq e 00 nos demais pontos) é contínua exatamente nos irracionais: é Riemann-integrável com integral 00. E as integrais de Riemann impróprias são uma noção diferente: 0sinxx ⁣dx\int_0^\infty\frac{\sin x}x\,\dd x converge como limite de 0A\int_0^A (o problema de fim de semana a calcula: =π2= \frac\pi2), mas sinxxL1((0,+))\frac{\sin x}x \notin L^1(\intoo0{+\infty}): a integral absoluta diverge como a série harmônica (Exercício 10.6). A teoria de Lebesgue troca a convergência condicional por teoremas de limite robustos.

Exemplo 10.16 (A função Gama)

Para t>0t > 0, ponha

Γ(t)=0+xt1ex ⁣dx.\Gamma(t) = \int_0^{+\infty} x^{t-1}\eu^{-x}\,\dd x .

A integral converge: perto de 00, xt1x^{t-1} é integrável (t>0t > 0); no infinito, xt1exCex/2x^{t-1}\eu^{-x} \leq C\eu^{-x/2}. A integração por partes (em [ε,A][\varepsilon, A] e, depois, passando ao limite por convergência monótona) dá a equação funcional Γ(t+1)=tΓ(t)\Gamma(t + 1) = t\,\Gamma(t), donde Γ(n+1)=n!\Gamma(n+1) = n!: o fatorial interpolado. Em todo [a,b](0,+)\intcc ab \subseteq \intoo0{+\infty}, t(xt1ex)=lnxxt1ex\partial_t\bigl(x^{t-1}\eu^{-x}\bigr) = \ln x\cdot x^{t-1}\eu^{-x} é dominada por lnx(xa1+xb1)ex\abs{\ln x}(x^{a-1} + x^{b-1})\eu^{-x}, integrável: Γ\Gamma é C1\mathcal C^1 e, por indução, C\mathcal C^\infty, com Γ(k)(t)=0(lnx)kxt1ex ⁣dx\Gamma^{(k)}(t) = \int_0^\infty(\ln x)^kx^{t-1}\eu^{-x}\dd x. O valor Γ(12)=π\Gamma(\frac12) = \sqrt\pi é a integral gaussiana disfarçada (Problema 10.1).

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