Konvergenzkriterien für uneigentliche Integrale

Satz 16QO (Cauchy-Kriterium)

Das uneigentliche Integral ∫aβf(x)  dx\int\limits_a^\beta f(x)\; dx ist genau dann konvergent, wenn
∀ε>0  ∃c=c(ε)∈]a,β[  ∀u,v∈]c,β[∣∫uvf(x)  dx∣<ε\forall \varepsilon>0\;\exists c=c(\varepsilon)\in ]a,\beta[\;\forall u,v\in ]c,\beta[\quad \left|\int\limits_u^v f(x)\; dx\right|<\varepsilon.

Beweis

φ(t):=∫atf(x)  dx\phi(t):=\int\limits_a^t f(x)\; dx
an. □\qed

Beispiel

Wir zeigen
∫0∞sin⁡(x)x  dx\int\limits_0^\infty \dfrac{\sin (x)}{x}\; dx ist konvergent
Da lim⁡x→0sin⁡(x)x=1\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\sin(x)}{x}=1 (Beispiel 5319B) bleibt nur x→∞x\to\infty zu betrachten.
Für alle 0<u<v0<u<v gilt: ∣∫uvsin⁡(x)x  dx∣=∣∫uv1x⎵=:g⋅sin⁡(x)⎵=:f´  dx∣\left|\int\limits_u^v \dfrac{\sin(x)}{x}\; dx\right|=\left|\int\limits_u^v \underbrace{\dfrac{1}{x}}_{=:g}\cdot\underbrace{\sin(x)}_{=:f´}\; dx\right| =∣[−1xcos⁡(x)]uv−∫uv1x2cos⁡x  dx∣ =\left|\left[-\dfrac{1}{x}\cos(x)\right]_u^v-\int\limits_u^v\dfrac{1}{x^2}\cos x\; dx\right| (partielle Integration) ≤∣cos⁡(v)v−cos⁡(u)u∣+∫uv1x2∣cos⁡(x)∣⎵≤1  dx \leq \left|\dfrac{\cos(v)}{v}-\dfrac{\cos(u)}{u}\right|+\int\limits_u^v\dfrac{1}{x^2}\underbrace{\left|\cos(x)\right|}_{\leq 1}\; dx (Dreiecksungleichung für Integrale) ≤ 1v−1u+(1u−1v) = 2u \leq\, \dfrac{1}{v}-\dfrac{1}{u}+\left(\dfrac{1}{u}-\dfrac{1}{v}\right)\,=\,\dfrac{2}{u}. Sei nun ε>0\varepsilon>0; wähle c:=2εc:=\dfrac{2}{\varepsilon}. Dann gilt für 0<u<v0<u<v mit u>cu>c:
∣∫uvsin⁡(x)x  dx∣ ≤ 2u < 2c = ε\left|\int\limits_u^v\dfrac{\sin (x)}{x}\; dx\right| \,\leq\, \dfrac{2}{u} \,<\, \dfrac{2}{c}\,=\,\varepsilon
Nach Satz 16QO folgt die Behauptung.

Definition

∫αβf(x)  dx\int\limits_\alpha^\beta f(x)\; dx heißt absolut konvergent :⇔  ∫αβ∣f(x)∣  dx :\Leftrightarrow\; \int\limits_\alpha^\beta\left|f(x)\right|\; dx ist konvergent.

Satz 16R1

Ist ∫αβf(x)  dx\int\limits_\alpha^\beta f(x)\; dx absolut konvergent, so ist es auch konvergent, und es gilt ∣∫αβf(x)  dx∣≤∫αβ∣f(x)∣  dx\left| \int\limits_\alpha^\beta f(x)\; dx\right|\leq \int\limits_\alpha^\beta \left|f(x)\right|\; dx.

Beispiel

∫0∞sin⁡xx dx\int\limits_0^\infty\dfrac{\sin x}{x} \, dx konvergiert nicht absolut, denn ∫0∞∣sin⁡x∣x  dx\int\limits_0^\infty \dfrac{|\sin x|}{x} \; dx konvergiert nicht. Es ist
∫0kπ∣sin⁡x∣x  dx  =  ∑j=1k∫(j−1)πjπ∣sin⁡x∣x  dx \int\limits_0^{k\pi} \dfrac{|\sin x|}{x} \; dx \;=\; \sum\limits_{j=1}^k \int\limits_{(j-1)\pi}^{j\pi} \dfrac{|\sin x|}{x} \; dx
SinAbs.png
Abschätzung der Dreiecksfläche unter sin⁡(x)\small\sin(x)
Wir schätzen das Integral mit Hilfe der Dreiecksflächen unter der Sinusfunktion ab. Die Größe der Dreiecksfläche ist AD=π2A_D=\dfrac{\pi}{2} für jedes k∈Nk \in \N Es gilt in den einzelnen Teilintervallen [(j−1)π,jπ][(j-1)\pi,j\pi] stets jπ<=xj\pi<=x, also 1j⋅π\dfrac{1}{j\cdot\pi}.
⇒  ∑j=1k∫(j−1)πjπ∣sin⁡x∣x  dx \Rightarrow\;\sum\limits_{j=1}^k \int\limits_{(j-1)\pi}^{j\pi} \dfrac{|\sin x|}{x} \; dx ≥∑j=1k1j⋅π⋅π2 \geq \sum\limits_{j=1}^k \dfrac{1}{j \cdot \pi} \cdot \dfrac{\pi}{2} =12∑j=1k1j  →k→∞  ∞ = \dfrac{1}{2} \sum\limits_{j=1}^k \dfrac{1}{j} \;\xrightarrow{k \to \infty}\; \infty , wegen der Divergenz der harmonischen Reihe.

Satz 16R2

Es sei g:[a,β[→Rg: [a,\beta[\to \R mit ∀t∈]a,β[\forall t\in ]a,\beta[, g∈R[a,t] g\in R[a,t] riemannintegrierbar.

Majorantenkriterium

Wenn
∀x∈[a,β[\forall x\in [a,\beta[ ∣f(x)∣≤g(x)  |f(x)|\leq g(x)\,
und ∫aβg(x)  dx\int\limits_a^\beta g(x)\; dx konvergent. Dann ist ∫aβf(x)  dx\int\limits_a^\beta f(x)\; dx absolut konvergent, und es gilt
∫aβ∣f(x)∣  dx≤∫aβg(x)  dx\int\limits_a^\beta |f(x)|\; dx\leq\int\limits_a^\beta g(x)\; dx.

Minorantenkriterium

Wenn
∀x∈[a,β[\forall x\in [a,\beta[ f(x)≥g(x)≥0 f(x)\geq g(x)\geq 0
und∫aβg(x)  dx\int\limits_a^\beta g(x)\; dx divergent.
Dann ist auch ∫aβf(x)  dx\int\limits_a^\beta f(x)\; dx divergent.
 
 

Jede mathematische Formel in einem Buch halbiert die Verkaufszahl dieses Buches.

Stephen Hawking

Copyright- und Lizenzinformationen: Diese Seite ist urheberrechtlich geschützt und darf ohne Genehmigung des Autors nicht weiterverwendet werden.
Anbieterkеnnzeichnung: Mathеpеdιa von Тhοmas Stеιnfеld  • Dοrfplatz 25  •  17237 Blankеnsее  • Tel.: 01734332309 (Vodafone/D2)  •  Email: cο@maτhepedιa.dе