תהי f:R→R רציפה כך ש-0∫∞f(x)dx מתכנס.
חשבו את n→∞lim0∫1f(nx)dx.
נשים לב כי זוהי בעצם סדרה.
מהו הקשר בין שני היצורים הללו? הפונקציה f רציפה ולכן לפי W חסומה בכל קטע סגור. לכן, הבעיה תהיה רק ב-∞.
נגדיר: F(x)=0∫xf(t)dt.
לכל n∈N מתקיים:
0∫1f(nx)dx↓t=nxdt=ndx=n10∫nf(t)dt=n1F(n)
כעת קל לנו יותר להסתכל על זה ולהבין מה הולך עם הגבול.
נתון כי 0∫∞f(x)dx מתכנס ולכן limx→∞F(x) קיים וסופי (ודאו!)
⇐ מהיינה, limn→∞F(n) קיים וסופי ובפרט F(n) סדרה חסומה.
ללכת לפי הגדרה פה זה קצת מעצבן שכן זה לא אינטגרל מיידי (ניתן להתמודד עם זה בעזרת הפרדה לשני אינטגרלים)
מבחני השוואה הם לאינטגרלים שהם פונקציות אי שלילות - נבדוק האם הפונקציה הזו היא אי שלילית. cos קטן או שווה ל-1 ולכן הפונקציה אי שלילי.
הבעיה שיש לנו היא ב-0 שבה המכנה מתאפס.
נרצה להבין כמו איזה פולינום האינטגרנד "מתנהג". לכן, נעזר בטיילור:
זאת לפי ההגדרה של o(x2).
לכן, לפי מבחן ההשוואה הגבולי מתקיים שהאינטגרל מתבדר (לפי משפט על האינטגרל המוכלל של xα1 בקטע הנתון)
משפט (מבחני אבל ודיריכלה)
תהינה f,g:[a,∞)→R כך ש-g רציפה ו-f מונוטונית וגזירה ברציפות.
אבל: אם f חסומה ו-a∫∞g מתכנס
דיריכלה: אם limx→∞f(x)=0 ו-a∫xg חסום כפונקציה של x
אזי: a∫∞f⋅g מתכנס.
תרגיל
הראו שלכל p>0 האינטגרל 1∫∞xpsinxdx מתכנס.
יש לנו רק בעיה ב-∞. נגדיר g(x)=sinx,f(x)=xp1.
הפונקציה f מונוטונית, גזירה ברציפות ו-limx→∞xp1=0 שכן p>0.
הפונקציה g רציפה ומתקיים כי 1∫xsintdt חסומה שכן:
1∫xsintdt=−cost1x=∣cos1−cosx∣≤2
לכן, לפי מבחן דיריכלה, 1∫∞fg=1∫∞xpsinxdx מתכנס.
תרגיל
הראו שלכל p>0 האינטגרל 1∫∞xpsinxdx מתבדר.
יש בעיה רק באינסוף.
נניח בשלילה שהאינטגרל מתכנס. נסמן: g(x)=xpsinx רציפה מכפל של רציפות ולפי ההנחה בשלילה 1∫∞g מתכנס.
נגדיר f(x)=xp1 מונוטונית וגזירה ברציפות וחסומה (p>0).
1∫∞fg=1∫∞xp1xpsinxdx=1∫∞sinxdx
לפי מבחן אבל, האינטגרל הנ"ל מתכנס וזוהי סתירה :)
לכן, האינטגרל הנתון מתבדר.
תרגיל
נתונה f אינטגרבילית ב-[a,1] לכל 0<a<1 ונתון שהאינטגרל המוכלל 0∫1f(x)dx מתכנס.
חשבו: a→0+lim0∫af(x)dx.
לכל 0<a<1 מתקיים:
0∫af(x)dx↓אדיטיביות=0∫1f(x)dx−a∫1f(x)dx
באגף ימין יש לנו הפרש של אינטגרל מתכנס(נתון) ואינטגרל רימן. לכן, לכל a אגף ימין מוגדר ולכן גם אגף שמאל.