זה לא נכון. אנו לא יכולים לבצע NL על פונקציה שאינה חסומה.
נשים לב גם כי ביצענו אינטגרל לפונקציה חיובית וקיבלנו מספר שלילי - זה לא הגיוני.
עד כה הנחנו fחסומה על קטע חסום. כעת נרצה לטפל בשני סוגים של מקרים: מקרים בהם הפונקציה לא חסומה והקטע חסום - a∫bfומקרים בהם הקטע לא חסום, לדוגמה, מה השטח מתחת לגרף לפונקציה שנראת ככה:
נניח האינטגרל: a∫∞f.
התשובה הנאיבית של זה היא שאין בכלל על מה לדבר על זה כי כל פעם השטח גדל. אבל בואו נסתכל על הריבוע הזה:
כל פעם אנו מוסיפים לשטח בעזרת ציור עוד ריבוע קטן, אבל סך כל השטח תמיד יהיה מקסימום 1. אנחנו נרצה לפרמל את הקונספט הזה.
הבסיס
כשהתחום אינסופי
הגדרה 1 (אינטגרל מוכלל)
תהי f:[a,∞)→R פונקציה שמקיימת שלכל M>a הפונקציה f אינטגרבילית בקטע [a,M]. נגדיר:
גילינו פה משהו סופר סופר לא אינטואיטיבי. למה? נסתכל על הגרף של x1:
לפי המסקנה שלנו, השטח מתחת לגרף מ-1אינו חסום.
אך לעומת זאת הפונקציה x21:
בפונקציה הזו השטח כן מתכנס. (והשטח מתכנס ל-1 אגב)
כשהפונקציה אינה חסומה בקטע
הגדרה 4 (אינטגרל מוכלל)
תהי f:[a,b)→R פונקציה המקיימת שלכל f,ε>0 אינטגרבילית ב-[a,b−ε]. נגזיר:
a∫bf=ε→0+lima∫b−εf
בתנאי שהגבול באגף ימין קיים וסופי.
הגדרה 5 (אינטגרל מוכלל)
תהי f:(a,b]→R פונקציה המקיימת שלכל f,ε>0 אינטגרבילית ב-[a+ε,b]. נגזיר:
a∫bf=ε→0+lima+ε∫bf
בתנאי שהגבול באגף ימין קיים וסופי.
אם נניח יש נקודה c באמצע אשר בסביבתה הפונקציה לא חסומה, בדומה ל-x=0 בפונקציה x21. נוכל להגדיר כך:
הגדרה 6 (אינטגרל מוכלל)
תהי f:[a,b]→R פונקציה עבורה קיימת נק' c∈(a,b) המקיימת ש-f אינטגרבילית לכל ε>0 בקטע [a,c−ε],[c+ε,b]. נגדיר:
a∫bf=a∫cf+c∫bf
בתנאי ששני האינטגרלים באגף ימין מתכנסים.
הערה
אם יש מספר סופי של נקודות כאלו זה עדיין עובד. אם יש ∞ נקודות כאלו זה לא עובד
הערה
אם f:[a,b)→R חסומה ומקיימת את התנאים של ההגדרה, אז a∫bf שהגדרנו ממזמן, מתכלד עם הגדרת האינטגרל המוכלל. הסבר: ה"צוברת שטח" רציפה לפי המשפט שלפני המשפט היסודי.
עבור α<1 נקבל כי ε→0+lim1−α1−ε1−α=1−α1 מכיוון שהפונקציה אלמנטרית ומוגדרת עבור ε=0 ולכן האינטגרל מתכנס.
עבור α>1 נקבל כי 1−α<0 ולכן ε→0+lim1−α1−ε1−α=ε→0+lim1−α1−ε∣1−α∣1=−∞ שכן ε∣1−ε∣1ε→0∞ ולכן האינטגרל מתבדר.
מסקנה
מתכנס0∫1xαdx⟺α<1
בהרבה מקרים לא נדע לחשב אינטגרלים מוכללים, ובכל זאת נדע לומר יחסית בקלות אם הם מתכנסים או לא. כעת נראה כמה משפטים שיוכלו להגיד לנו האם האינטגרל המוכלל מתכנס או לא מבלי שנדרש לחשב את ערכו.
מבחני התכנסות
לכל משפט שנרשום כעת יש שתי גרסאות: אחת לאינטגרל מוכלל שהקטע לא חסום ואחת לאינטגרל מוכלל שהפונקציה לא חסומה.
משפט (מבחן ההשוואה)
יהיו f,g פונקציות אי-שליליות ב-[a,∞) ואינטגרביליות ב-[a,M] לכל M>a.
נניח כי f≥g≥0 לכל a<b<x אזי: אם a∫∞g מתבדר אז a∫∞f מתבדר.
הוכחה:
לכל x>b מתקיים b∫xg≤b∫xf לפי מונוטוניות האינטגרל המסויים.
כיוון ש-f,g אי-שלילות, b∫xf ו-b∫xg הן פונקציות מונוטוניות עולות (כפונקציה של x).
אם b∫∞g מתבדרת אז b∫xg לא חסומה מלמעלה כפונקציה של x.
לכן, b∫xf לא חסומה ולכן b∫xf מתבדר ולכן a∫∞f מתבדר. ∎
תרגיל
נסחו ווריאציות!
דוגמה
1∫∞x2+5xdx
אנו נרצה לדעת האם האינטגרל המוכלל הזה מתכנס או מתבדר.
נזכר ממקודם כי האינטגרל 1∫∞x2dx מתכנס לפי מסקנה. בנוסף 0≤x2+5x1≤x21 ולכן, 1∫∞x2+5xdx מתכנס לפי מהלא"ש (מבחן ההשאווה לפונקציות אי שליליות)
דוגמה
0∫1x2+5xdx
נשים לב כי הפונקציה שואפת ל-∞ כאשר x→0+. נזהר כי אנו בקטע (0,1) שהוא קטע מוזר שבו כשמעלים משהו בריבוע מקטינים אותו.
בקטע (0,1] מתקיים x2≤x ולכן x2+5x≤6x וכלן x2+5x1≥6x1.
בנוסף, 0∫1xdx מתבדר לפי המסקנה
לכן, 0∫1x2+5xdx מתבדר.
משפט (מבחן ההשוואה הגבולי)
יהיו f,g אי שליליות ואינטגרביליות ב-[a,M] לכל M>a ונניח כי קיים 0<L<∞ כך ש-x→∞limg(x)f(x)=L. אזי:
מתכנסa∫∞g⟺ מתכנסa∫∞f
(מתכנסים ומתבדרים יחדיו)
דוגמה
0∫21x1−x1dx
זה אינטגרל מוכלל כי כאשר x→0 מתקיים x1−x1→∞.
(אינטואיציה לבחירת הפונקציה g: החלק של ה-x1 הוא זה שיוצר את הבעיה שכן 1−x1 חסום בסביבת 0 ולכן נשווה אליו)
נגדיר f(x)=x1−x1 ו-g(x)=x1. הפונקציות הנ"ל אי שליליות בקטע [0,21] ומתקיים:
x→0+limx1x1−x1=x→0+lim1−x1=1
0∫21x1dx מתבדר שכן בקטע [21,1] הפונקציה x1 חסומה והאינטגרל המסויים שלה ידוע. לכן, לפי אדיטיביות בקטע [0,21] הנ"ל מתבדר.
לכן, לפי משפט ההשוואה הגבולי, גם האינטגרל בדוגמה מתבדר!
דוגמה
21∫1x1−x1dx
נשים לב כי הפונקציה הנ"ל לא חסומה ליד 1 שכן 1−x→0 כאשר x→1. נשווה כעת ל-1−x1.
נגדיר f(x)=x1−x1 ו-g(x)=1−x1. הפונקציות הינן אי שליליות.
אם L=0 אז a∫∞g מתכנס a∫∞f⟸ מתכנס.
אם L=∞a∫∞g מתכנס a∫∞f⟹ מתכנס.
הוכחת המשפט:
נקח ε>0 כך ש-L−ε>0. לפי הגדרת הגבול, קיים N כך שלכל x>N מתקיים: 0<L−ε<g(x)f(x)<L+ε.
לכן, 0<g(x)(L−ε)<f(x)<g(x)(L+ε).
לפי מהלא"ש אם a∫∞f מתכנס אז a∫∞g⋅(L−ε) מתכנס ולכן a∫∞g מתנכס.
בנוסף, אם a∫∞g מתכנס אזי a∫∞g⋅(L+ε) מתכנס ולכן, לפי מהלא"ש a∫∞f מתכנס. ∎
הגדרה 7 (התכנסות בהחלט)
תהי f אינטגרבילית ב-[a,M] לכל M>a. נאמר כי a∫∞fמתכנס בהחלט אם a∫∞∣f∣ מתכנס.
הגדרה 8 (התכנסות בתנאי)
תהי f אינטגרבילית ב-[a,M] לכל M>a.
אם a∫∞f מתכנס אבל לא בהחלט, אז אומרים שהוא מתכנס בתנאי
משפט
התכנסות בהחלט ⟸ התכנסות.
הוכחה:
נגדיר f+={f0f≥0f<0 ו-f−={0−ff≥0f<0. שתיהן אי שלילות ומתקיים: ∣f∣=f++f− ו-f=f+−f− ולכן ∣f∣≥f+,∣f∣≥f−.
אם a∫∞∣f∣ מתכנס אז a∫∞f+ מתכנס ו-a∫∞f− מתכנס (לפי מהלא"ש) ולכן גם a∫∞f מתכנס. ∎
דוגמה
I1=1∫∞x2∣cosx∣I2=1∫∞x2cosx
נשים לב כי:
0≤x2∣cosx∣≤x21
לכן, לפי מהלא"ש I1 מתכנס. I2 מתכנס בהחלט ולכן, לפי משפט, מתכנס.
נשים לב כי 1∫∞x1 מתבדר ולכן אין גבול.
כאשר נקח M→∞ על xcos2x נשים לב כי הוא מתכנס לפי I6 ולכן יש גבול.
לכן, כאשר M→∞ מתקיים כי ל-1∫M אין גבול!
לכן, I7 מתבדר.
דוגמה
I8=1∫∞xsinxdx
לכל x≥1 מתקיים ∣sinx∣≥sin2x (כי 0≤∣sinx∣≤1) ולכן:
xsinx=x∣sinx∣≥xsin2x=2x1−cos2x≥0
לפי מבחן ההשוואה עם I7 נובע כי I8 מתבדר.
מסקנה (מהדוגמות)
0∫∞xsinx מתכנס בתנאי!
משפט (מבחן אבל)
יהיו f,g אינטגרביליות ב-[a,M] לכל M>a.
נניח כי a∫∞g(x)dx מתכנס וכי f מונוטוניות וחסומה. אזי a∫∞f(x)g(x)dx מתכנס.
משפט (מבחן דיריכלה)
יהיו f,g אינטגרביליות ב-[a,M] לכל M>a.
נניח כי f מונוטונית ומקיימת limx→∞f(x)=0 וכי a∫xg(t)dt חסומה (כפונקציה של x)
אזי a∫∞f(x)g(x)dx מתכנס.
דוגמה
1∫∞xsinxdx
נגדיר f(x)=x1 ו-g(x)=sinx. f מונוטונית ב-[1,∞) ובנוסף limx→∞f(x)=0.
1∫xsintdt↓NL=(−cost1x)=∣−cosx+cos1∣≤2
לכן, I3 מתכנס לפי דיריכלה.
ההוכחות המלאות של המשפטים הללו אינן ברמת הקורס - הן קשות מאוד. כדי להקל עליהן, נניח רציפות של g וגזירות ברציפות על f. המלצה(רשות): הוכחה בווידיאו (20 דק')
תרגיל (שאמור לפתוח את הראש)
תהי f אי-שלילית, רציפה ונתון כי 0∫∞f מתכנס.
האם בהכרח limx→∞f(x)=0?
הטענה לא נכונה.
נקח את פונקציית האוהלים:
הפונקציה מקיימת את כל התנאים ומתקיים: