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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+∞ 12 q(x) dx diverge poiché per ∀ x > K → 12 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 > √x31√x3 + 1 < 1√x3.

1+∞ 1√x3 dx = 11 x-32 dx → converge per il criterio del confronto: 11+∞ 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 > x41/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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Scienze matematiche e informatiche MAT/05 Analisi matematica

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