impropria
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| - | aaa | + | Até agora sempre consideramos integral de funções limitadas nos domínios limitados. Vamos além deste casos. |
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| + | **Integral imprópria (Categoria 1): Domínio ilimitado** | ||
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| + | Consideramos funções com domínio do tipo $ (-\infty, a] $ ou $ [a, \infty). $ Primeiramente consideramos $ f : [a, \infty) \rightarrow \mathbb{R}. $ Suponhamos que para todo $ A>a $ a função $ f $ seja integrável no intervalo $ [a, A] $ e que $ \lim_{A \rightarrow \infty} \int_{a}^{A} f $ exista. Neste caso dizemos que | ||
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| + | $ \int_{a}^{\infty} f $ converge e $ \int_{a}^{\infty} f = \lim_{A \rightarrow \infty} \int_{a}^{A} f $ | ||
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| + | Exemplo 1: Seja $ p > 0 $. Analisamos a convergência de $ \int_{1}^{\infty} \frac{1}{x^p} dx. $ | ||
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| + | Lembramos que se $ p\neq 1 $ então $ \int_{1}^{A} \frac{1}{x^p} dx = \frac{1}{-p+1} (A^{-p+1} -1) $ e | ||
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| + | $ p=1, \int_{1}^{A} \frac{1}{x^p} dx = ln(A).$ | ||
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| + | Portanto $ \lim_{A \rightarrow \infty} \int_{1}^{A} \frac{1}{x^p} dx $ existe apenas quando $ p >1. $ | ||
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| + | Exemplo 2: Dado $ \alpha > 0 $ podemos ver que | ||
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| + | $ \int_{0}^{A} e^{-\alpha x} = \frac{-1}{\alpha} (e^{-\alpha A} -1) $ | ||
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| + | e portanto a integral $ \int_{0}^{\infty} e^{-\alpha x} dx $ converge e é igual a $ \frac{1}{\alpha}. $ | ||
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| + | Exemplo 3: Vamos mostrar que $ \int_{0}^{\infty} e^{-x^2} dx $ converge! | ||
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| + | <color # | ||
| + | Alerta: Não tentem calcular primitiva!</ | ||
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| + | $ \int_{1}^{A} e^{-x^2} dx \leq \int_{1}^{A} e^{-x} dx$ | ||
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| + | pelo exemplo anterior sabemos que a integral do lado direito quando $ A$ tende a infinito converge. o lado esquerdo é uma função crescente de $ A$ e portanto também converge (explicação de convergência no cálculo 1). Portanto $ \int_{1}^{\infty} e^{-x^2} dx $ converge e adicionando um número fixo $ \int_{0}^{1} e^{-x^2} dx $ concluímos que | ||
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| + | $ \int_{0}^{\infty} e^{-x^2} dx $ converge. | ||
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| + | **Critério de comparação: | ||
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| + | Sejam $ f, g $ funções não negativas e definidas no intervalo $ [a, \infty). $ Ambas integrável em qualquer intervalo $ [a, A], A \geq a. $ Suponhamos que existe $ K >a $ tal que $ \forall x > K , f(x) \leq g(x). $ Então: | ||
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| + | Se $ \int_{a}^{\infty} g $ convergir, $ \int_{a}^{\infty} f $ também converge. | ||
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| + | Se $ \int_{a}^{\infty} f$ divergir, $ \int_{a}^{\infty} g$ também diverge. | ||
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| + | **Integral imprópria (segunda categoria): domínio limitado** | ||
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| + | Agora consideramos casos em que uma função está definida numintervalo $ (a,b] $ e $ \lim_{x \rightarrow a^{+}} f(x)= \infty. $ Existe um caso similar quando o domínio é de forma $ [a,b). $ Por exemplo considere a função $ f(x)=\frac{1}{x^p}, | ||
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| + | Se para todo $ \epsilon $ tal que $ a+\epsilon \leq b $ a função $ f $ for integrável no intervalo $ [a+\epsilon, | ||
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| + | $ \lim_{\epsilon \rightarrow o} \int_{a+\epsilon}^{b} f(x)dx $ existir, dizemos que $ \int_{a}^{b} f $ converge. Caso contrário, dizemos que a integral diverge. | ||
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| + | Exemplo 4: Analise a convergência de $ \int_{0}^{1} \frac{1}{x^p} dx $ onde $ p >0. $ | ||
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| + | Dado $ 0 < \epsilon <1 $ para $ p \neq 1 $ temos $ \int_{\epsilon}^{1} \frac{1}{x^p} dx = \frac{1}{-p+1} (1-\epsilon^{-p+1}) $ e para $ p =1, \int_{\epsilon}^{1} \frac{1}{x} dx = - ln(\epsilon) $ | ||
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| + | Podemos verificar que apenas para $ p < 1 $ a integral converge: | ||
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| + | $ \int_{0}^{1} \frac{1}{x^p} dx = \frac{1}{-p+1}. $ | ||
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| + | Exemplo 5: Analisamos $ \int_{0}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{x^3+x}}. $ | ||
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| + | Aqui vamos considerar duas integrais $ \int_{0}^{1} \frac{1}{\sqrt{x^3+x}} | ||
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| + | De fato $ \int_{0}^{1} \frac{1}{\sqrt{x^3+x}} $ é da segunda categoria. Vamos usar o critério da comparação: | ||
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| + | $ \frac{1}{\sqrt{x^3+x}} < \frac{1}{\sqrt{x}} $ e pelo exemplos anteriores sabemos que $ \int_{0}^{1} \frac{1}{\sqrt{x}} $ converge. | ||
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| + | Por outro lado $ \int_{1}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{x^3+x}} $ é da primeira categoria e novamente vamos utilizar critério da comparação. Essa vez observe que | ||
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| + | $ \frac{1}{\sqrt{x^3+x}} < \frac{1}{\sqrt{x^3}} $ e já que $ \int_{1}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{x^3}} < \infty $ pelo teste da comparação concluímos que $ \int_{1}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{x^3+x}} < \infty. $ | ||
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| + | Portanto $ \int_{0}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{x^3+x}} < \infty. $ | ||
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| + | **Integral imprópria: Um ponto problemático no meio do domínio da integração** | ||
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| + | Agora vamos considerar integrais como $ \int_{-1}^{1} \frac{1}{\sqrt[3]{x^2}}.$ | ||
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| + | Observe que $ x=0 $ não pertence ao domínio da função. Neste caso, é conveniente considerar | ||
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| + | $ \int_{-1}^{1} \frac{1}{\sqrt[3]{x^2}} := \int_{-1}^{0} \frac{1}{\sqrt[3]{x^2}} + \int_{0}^{1} \frac{1}{\sqrt[3]{x^2}} $ | ||
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| + | e cada uma das integrais impróprias do lado direito é convergente pelo exemplo (4). | ||
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| + | E agora vamos considerar $ \int_{-1}^{1} \frac{1}{x} dx.$ | ||
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| + | Observe que como exemplo anterior podemos dividir em duas integrais | ||
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| + | $ \int_{-1}^{1} \frac{1}{x} dx:= | ||
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| + | e cada uma das integrais do lado direito é divergente e parece justo afirmar que a integral no intervalo $ [-1, 1]$ é divergente também! | ||
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| + | Porém podemos ter outro ponto de vista e considerar | ||
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| + | $ \int_{-1}^{1} \frac{1}{x} dx := \lim_{\epsilon \rightarrow 0^+} \int_{-1}^{-\epsilon} \frac{1}{x} dx + \int_{\epsilon}^{1} \frac{1}{x} dx$ | ||
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| + | Observe que para qualquer $ 0< \epsilon <1 $ o lado direito da equação acima se anula. E portanto parece justo também definir a integral como zero! | ||
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| + | Porém, agora imagina que alguém queira calcular de seguinte: | ||
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| + | $ | ||
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| + | e agora tentamos " | ||
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| + | Para alguns problemas, o uso de uma destas formas de calculo pode ser útil. Geralmente denotamos este tipo de integrais por p.v. $ \int_{a}^{b} f(x)dx$ (principal value). | ||
impropria.1693242527.txt.gz · Last modified: 2023/08/28 14:08 by tahzibi