Criteri di convergenza
Valgono per funzioni positive f(x) ≥ 0, g(x) ≥ 0.
Teorema: criterio del confronto
Se f(x) ≤ g(x), allora ∫a+∞ f(x) dx ≤ ∫a+∞ g(x) dx.
In particolare:
- Se ∫a+∞ g(x) dx converge ⇒ ∫a+∞ f(x) dx converge.
- Se ∫a+∞ f(x) dx diverge positivamente ⇒ ∫a+∞ g(x) dx diverge positivamente.
Oss. Un criterio analogo vale per tutti i tipi di integrali impropri.
Dim. Da f(x) ≤ g(x) segue che ∫aK f(x) dx = ∫aK g(x) dx, (K > a) dalla proprietà di monotonia dell'integrale definito.
Poiché vale questa disequazione possiamo passare al limite e per il teorema del confronto, si ha: ∫a+∞ f(x) dx = lim (K → +∞) ∫aK f(x) dx ≤ lim (K → +∞) ∫aK g(x) dx = ∫a+∞ g(x) dx.
Criteri di convergenza
Valgono per funzioni positive f(x) ≥ 0, g(x) ≥ 0.
Criterio del confronto
Se f(x) ≤ g(x), allora ∫a+∞ f(x) dx ≤ ∫a+∞ g(x) dx.
In particolare:
- Se ∫a+∞ g(x) dx converge ⇒ ∫a+∞ f(x) dx converge.
- Se ∫a+∞ f(x) dx diverge positivamente ⇒ ∫a+∞ g(x) dx diverge positivamente.
Oss. Un criterio analogo vale per tutti i tipi di integrale improprio.
Dim. Da f(x) ≤ g(x) segue che ∫aK f(x) dx ≤ ∫aK g(x) dx, (K > a), dalla proprietà di monotonia dell'integrale definito.
Poiché vale questa disequazione possiamo passare al limite e per il teorema del confronto si ha: ∫a+∞ f(x) dx = limK → +∞ ∫aK f(x) dx ≤ limK → +∞ ∫aK g(x) dx = ∫a+∞ g(x) dx □
Funzioni asintoticamente equivalenti
f(x) ∼ g(x) (x → x0) def ⇔ limx → x0 f(x)/g(x) = 1.
x ≃ x0 ⇒ f(x)/g(x) ≃ 1 ⇒ f(x) ≃x0 g(x).
Esempi
- Sen x ∼ x (x → 0).
- 3x2 ∼ 3x2 - x + 1 (x → +∞).
- √(x + x3) ∼ √x (x → 0+).
limx → 0+ x/√(x + x3) = limx → 0+ x/√x3 = limx → 0+ x/√(4 + x2) = 1.
Teorema (criterio del confronto asintotico)
Vale per funzioni positive.
f(x) ∼ g(x) (x → +∞) ⇔ ∫a+∞ f(x) dx ∼ ∫a+∞ g(x) dx convergono o divergono entrambi.
Oss. Un criterio analogo vale per tutti i casi di integrale improprio.
Dim. Poiché per ipotesi: limx → +∞ f(x)/g(x) = 1, si ha che: ∀ ε > 0, ∃K > 0 t.c. se x > K ⇒ |f(x)/g(x) - 1| ⇒ -ε poiché abbiamo funzioni positive: (1-ε)g(x). In particolare per ε = 1/2 ∃ K > 0 t.c. se x > K ⇒ 1/2 g(x). Possiamo ora utilizzare il criterio del confronto:
- Se ∫a+∞ g(x) dx converge ⇒ ∫a+∞ 3/2 g(x) dx converge,
poiché per x > K ⇒ f(x) a+∞ f(x) dx converge.
2) Se a∫+∞ q(x) dx diverge, allora a∫+∞ 1⁄2 q(x) dx diverge poiché per ∀ x > K → 1⁄2 q(x) < f(x), risulta che: a∫+∞ f(x) dx diverge positivamente (per il criterio del confronto).
Oss. Se f è una funzione di segno variabile, allora: a∫+∞ |f(x)| dx ≤ a∫+∞ |f(x)| dx.
In particolare, se: a∫+∞ |f(x)| dx converge, allora → a∫+∞ f(x) dx converge.
Dunque in presenza di funzioni di segno variabile, si considera il valore assoluto poiché rende la funzione positiva e quindi sono applicabili i criteri di convergenza fatti precedentemente.
Esempio
1∫+∞ 1⁄√x3 + 1
Per confronto: √x3 + 1 > √x3 → 1⁄√x3 + 1 < 1⁄√x3.
1∫+∞ 1⁄√x3 dx = 1∫1 x-3⁄2 dx → converge per il criterio del confronto: 1∫1∫+∞ 1⁄√x3 + 1 dx converge.
In alternativa: 1⁄√x3 + 1 ~ 1⁄√x3 (x → +∞) con ant. osc. 1∫+∞ 1⁄√x3 + 1 dx ~ 1∫+∞ 1⁄√x3 dx converge ← converge.
2
∫0+∞ 1/x4 + x2 dx.
x4 + x2 > x4 ⇒ 1/x4 + x2 < 1/x4.
∫0+∞ 1/x4 dx 0+∞ 1/x4 + x2 dx converge.
3
∫2+∞ log x/x dx.
x > 2 ⇒ log x > log 2 ⇒ log x/x > log 2/x.
∫2+∞ log x/x dx > ∫2+∞ 1/x dx diverge pos.
4
∫01 1/√x + x5 dx.
(lim x → 0⁺ 1/√x + x5 = +∞)
1/√x + x5 ~ 1/√x (x → 0⁺).
∫01 1/√x + x5 dx ~ ∫01 1/√x dx converge.
5 Funz. di segno variabile
∫01 sin (1/x)/x3/2 dx = ∫01 |sin (1/x)| dx.
|sin (1/x)| ≤ 1 ⇒ |sin (1/x)| ≤ 1/x3/2.
∫01 |sin (1/x)| dx ≤ ∫01 1/x3/2 dx converge.
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