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INTEGRALI GENERALIZZATI

Due sono gli elementi che caratterizzano la classe delle funzioni a cui si può applicare la defi- nizione di funzione integrabile: essere la funzione limitata ed esserlo in un intervallo limitato e chiuso c d+ß , . Ovvero si richiede limitatezza sia nel dominio che nel codominio. Questo non è comunque sufficiente ad assicurare che la funzione risulti integrabile.

Allarghiamo ora il campo di applicabilità del concetto d'integrale.

Due sono le direzioni in cui possiamo procedere: considerere un intervallo d'integrazione che non sia limitato oppure considerare funzioni non limitate (e considerare poi anche ambedue i casi contemporaneamente). Queste considerazioni conducono al concetto di integrale impro- prio o generalizzato.

INTEGRALI GENERALIZZATI DI I^ SPECIE

Consideriamo una funzione 0 B il cui campo di esistenza sia illimitato (superiormente, infe- riormente o ambedue). Ci poniamo il problema di definire i seguenti integrali, che vengono detti :integrali generalizzati di I^ specie

( ( ( (

+ ∞ ∞

∞ + ∞

0 B d , B 0 B d , B 0 B dB œ 0 B d .B

Il primo ha senso se il campo di esistenza di 0 B è illimitato superiormente, il secondo se lo è inferiormente, il terzo richiede entrambe le condizioni.

Il terzo tipo si riconduce subito ai primi due, potendosi scrivere, per le proprietà dell'integrale, detto un punto opportuno: + ( 0 B dB œ( 0 B dB ( 0 B d .B

∞ ∞ +

∞ + ∞

Daremo la definizione nel primo caso, ( d , mentre per il secondo si tratterà di fare

+ ∞

0 B B semplici analogie con il caso precedente.

Preso un qualunque valore 7  +, supponiamo che la funzione 0 B sia integrabile nell'in- tervallo c+ß 7d, ovvero che esista ( 0 B d , B a 7  +.

+ 7

Quest'ipotesi è sicuramente soddisfatta se nell'intervallo ,c+  ∞c la funzione è continua, op- pure se presenta solo un numero finito di discontinuità di I^ e III^ specie.

Possiamo allora dare la seguente:

Definizione 27 (di funzione integrabile in senso generalizzato di I^ specie) À

Si dice che la funzione 0 B è integrabile in senso generalizzato nell'intervallo ,c+  ∞c se il

lim lim

7Ä∞ + + 7Ä∞ +

7 ∞ 7

( 0 B d esiste finito; in tal caso si pone B ( 0 B dB œ ( 0 B d .B Si riconduce il calcolo a quello di normali integrali definiti, con un estremo superiore d'inte- grazione considerato come un parametro, e si esamina, con un passaggio al limite, come si7 comporta tale integrale quando l'estremo d'integrazione diventa sempre più grande.

Se esso tende ad un valore finito, diciamo per definizione che la funzione 0 B ammette inte- grale generalizzato; se il limite è infinito oppure non esiste, la funzione sarà detta non integra- bile in ,c+  ∞c.

Se la funzione 0 B è sempre positiva in ,c+  ∞c non potrà accadere che il limite non esista, in quanto la funzione J 7 œ( 0 B d risulta monotòna crescente, e quindi o ha limiteB

+ 7

finito oppure diverge a  ∞. Questa proprietà resta valida anche se la funzione 0 B fosse positiva da un certo ,  + in poi.

Nell'ipotesi che 0 B sia continua in ,c+  ∞c e che J B sia una sua primitiva, otteniamo:

( ( c d

+ +

∞ 7

7Ä∞ 7Ä∞

Quindi l'integrale generalizzato ( d esiste se risulta finito , ovvero se

+ ∞

7Ä∞

0 B B lim J 7

la funzione J B ha un asintoto orizzontale sulla destra.

Esempio 85 Vediamo se esiste À ( / d .B

! ∞

B

Usando la definizione, dobbiamo vedere se esiste finito lim d .

7Ä∞ ! 7

B

( / B

Essendo ( d ˆ ¹ , dovremo calcolare:

! 7 B B 7 ! 7 / B œ  / œ "  / lim 7Ä∞ 7 B

"  / œ "  ! œ ", e quindi la funzione 0 B œ / ammette integrale genera- lizzato di I^ specie nell'intervallo ,c!  ∞c ed inoltre ( / dB œ ".

! ∞

B

Esempio 86 Vediamo se esiste À " d .B B (

" ∞

Procedendo come prima, dobbiamo vedere se esiste finito lim d . Avremo allora,

7Ä∞ " 7

( B" B

essendo B  !, " dB œ log B œlog , e quindi, essendo 7 log 7 œ  ∞, B ( ˆ ¹ " 7 " 7 7Ä∞lim

abbiamo che la funzione 0 B œ " non ammette integrale generalizzato di I^ specie nell'in- B

tervallo ,c"  ∞c.

Esempio 87 Studiamo la convergenza di À " d .B B (

" ∞

α

Vediamo per quali valori di esiste finito α lim d .

7Ä∞ " 7

( B"α B

Abbiamo già trattato il caso α œ ", in quanto abbiamo già visto che " d non esiste.B B

(

" ∞

Poniamo allora α , ed avremo: d .

α α Á " B B œ " B œ " 7  " "  "  ( ˆ ¹ ˆ ‰ " 7  " " " 7 α α α

Essendo se se , vediamo che:

se se lim 7Ä∞ " 7 œ ! "   ! œ !  "  ∞ "   !  ∞  " α œ αα œ αα ( " ∞ " "

Bα d esiste e vale B α " se α ", mentre non esiste se αŸ ".

Esempio 88 Studiamo la convergenza di À ( / d .B

! ∞

 Bα

Essendo ( d ˆ ¹ e dato che ,

o 7  B  B  7  7 ! 7 7Ä∞ / α B œ  " / α œ " "  / α / α œ ! α α lim

aα !, avremo che / d esiste e vale , B " aα  !. α

(

! ∞

 Bα

Per trattare il secondo caso di integrale, ovvero ( d , varranno, con opportuni adatta-

∞ +

0 B B menti, considerazioni del tutto analoghe al caso precedente.

Preso 7  +, supponiamo che la funzione 0 B sia integrabile nell'intervallo c7ß +d, ovvero che esista ( d , .

7 +

Diremo che ( d esiste (o converge) se esiste finito ( d .

∞ 7

+ +

7Ä∞

0 B B lim 0 B B

Esempio 89 Vediamo se esiste À ( / d .B

∞ !

B

Usando la definizione, dobbiamo vedere se esiste finito lim d .

7Ä∞ 7 !

B

( / B Essendo ( d ˆ ¹ , dovremo calcolare:

7 ! B B 7 7 ! / B œ / œ "  / lim 7Ä∞ 7 B

"  / œ "  ! œ ", e quindi la funzione 0 B œ / ammette integrale generaliz- zato di I^ specie nell'intervallo Ó  ∞ß !Ó ed inoltre ( / dB œ ".

∞ !

B

A questo risultato si poteva arrivare anche per considerazioni di simmetria con quello dell'E- sempio 85.

Infine, nel caso di ( d ( d , occorrerà scomporre anzitutto l'integrale:

∞ ∞ 0 B B œ 0 B B ‘ ( ( ( ∞ ∞ + ∞ + ∞

0 B dB œ 0 B dB  0 B d , per poi applicare separatamente ai due casiB

la definizione ed ottenere ( d ( d ( d . ∞ 7 + ∞ + 7 7 Ä∞ 7 Ä∞ 0 B B œ lim 0 B B  lim 0 B B " " # #

Se ambedue questi limiti esistono finiti, si dirà che la funzione 0 B ammette integrale gene- ralizzato su tutta la retta reale; è importante inoltre rimarcare, mediante l'uso di due diverse variabili, 7" e 7#, la necessità di calcolare i due integrali l'uno indipendentemente dall'altro.

Esempio 90 Vediamo se esiste À " d . Dato che la funzione integranda è continuaB "  B

(

∞ ∞

#

su tutto ed è funzione pari, quindi simmetrica rispetto all'asse , preso ‘ C + œ !, si ha:

( ( ( ( ∞ ∞ ! ! ∞ ! ∞ ∞ # # # # " " " " "  B dB œ "  B dB  "  B dB œ # "  B d .B

Calcoliamo quindi lim d .

7Ä∞ ! 7 # # † " B "  B (

Essendo ( d ˆarctg ¹ arctg arctg arctg , avremo:

! 7 # ! 7 " "  B B œ B œ 7  ! œ 7 lim 7Ä∞ ∞ ∞ # # 7 œ # œ B œ # "  B " arctg 1 1. Quindi ( d 1.

INTEGRALI GENERALIZZATI DI II^ SPECIE

Consideriamo una funzione 0 B che non sia limitata nell'intervallo c d+ß , . Non ha senso quin- di, mancando la condizione di partenza, percorrere la strada della definizione di funzione inte- grabile per valutare ( d . Ci limitiamo a trattare il caso di una funzione non limitata in

+ ,

0 B B

un punto nel quale risulti - lim 0 B œ  ∞, ovvero il caso di una funzione che presenti

BÄ-k k

una discontinuità di II^ specie infinita nel punto - À +  -  ,. Da questo possiamo dedurre una motivazione per la dizione di integrale generalizzato di II^ specie.

Usiamo le proprietà dell'integrale per scrivere: ( d ( d ( d . Il

+ + -

, - ,

0 B B œ 0 B B  0 B B

problema si affronta quindi portando anzitutto il punto di discontinuità all'estremo dell'inter- vallo d'integrazione, e questa è una prassi obbligata.

Definiamo ora ( d , con punto di discontinuità di II^ specie, e per analogia trattere-

+ - 0 B B - mo ( d . - , 0 B B

La funzione 0 B è, per ipotesi, continua nell'intervallo Ò+ß -Ò e quindi sarà continua in ogni intervallo c+ß - &d§ Ò+ß -Ò, & !. Abbiamo allora la seguente:

Definizione 28 (di funzione integrabile in senso generalizzato di II^ specie) À

Si dice che la funzione 0 B è integrabile in senso generalizzato nell'intervallo Ò+ß -Ò se il limi- te lim d esiste finito, e si porrà d lim d .

& &

& &

Ä! + + Ä! +

- - -

( 0 B B ( 0 B B œ ( 0 B B

Per ( d , con punto di discontinuità di II^ specie infinita, la definizione stabilisce

- ,

0 B B -

invece di calcolare lim d , e che tale limite esista finito.

&Ä! -& ,

( 0 B B

Se la funzione 0 B è non negativa in Ò+ß -Ò, il lim( 0 B d sicuramente esiste, in quan-B

&

& Ä! +

-

to la funzione 2 & œ ( 0 B d è una funzione monotòna crescente, che quindi o am-B

+ -&

mette limite finito oppure diverge a  ∞.

Esempio 91 Studiamo À " d . Avendo la funzione integranda una discontinuità di II^B B

(

! "

specie infinita in B œ !, per la definizione dovremo vedere se esiste finito " d .B B lim

&Ä! & "

(

Essendo ( d ˆlog ¹ log , e dato che log , si conclude

& & & " "

Ä!

"

B B œ B œ !  & lim  & œ  ∞

che la funzione 0 B œ " non ammette integrale generalizzato di II^ specie in Ó!ß "Ó. B

Esempio 92 Vediamo ora À ( log d . La discontinuità di II^ specie infinita (solo da de-B B

! "

stra) è nel punto B œ !, e dovremo calcolare allora lim log d . In base all'Esempio 80,B B

&Ä! & "

(

essendo ( log d ˆ log ¹ log , avremo:

& & " "

lim

&Ä!  "  †& log && œ  "  !  ! œ  ", e quindi la funzione 0 B œ log am-B

mette integrale generalizzato di II^ specie nell'intervallo Ó!ß "Ó, con ( log dB B œ  ".

! "

Il segno del risultato deriva dal fatto che nell'intervallo Ó!ß "Ó la funzione 0 B œlog è ne-B gativa.

Esempio 93 Studiamo l'esistenza di À " d , B  ! ,  -, . La funzione

B  - (

- ,

α α

integranda ha una discontinuità di II^ specie infinita nel punto B œ -, e l'intervallo di integrazione si trova a destra del punto di discontinuità.

In analogia con i casi precedenti, dovremo calcolare lim d , in modo tale che

&Ä! -& α ,

(

"

B  - B l'intervallo d'integrazione abbia il punto di discontinuità come estremo sinistro. Supponiamo α Á ". Sarà allora:

( ˆ ¹ ˆ ‰ - , " " - , " & α α α & α " " " B  - dB œ " α B  - œ " α ,  - & .

L'esistenza dell'integrale dipende dal comportamento del lim , in quanto le parti rima-

&

α Ä!

"

&

nenti sono delle costanti. Vediamo i vari casi:

se " α ! Êα  ", si ha che lim& œ !, quindi l'integrale dato esiste e vale:

& α Ä! "  ( - , " " " B  - α B œ "  ,  - α d ; α

se " α ! Êα  ", si ha che lim& œ  ∞, ed in questo caso l'integrale non esiste.

&

α Ä!

"

Infine, per α œ " si ha: " dB œ log B  - , ed essendo: B  - ( ˆ k k¹ - , - , & & lim

&Ä!clog k,  - k log k k&dœ  ∞, anche in questo caso l'integrale non esiste.

Quindi ( d esiste per (per la funzione è continua, quindi sempre

- , "

B  - α B α " α Ÿ !

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