Una integral de Riemann impropia de primer tipo, donde la región en el plano implicada por la integral es infinita en extensión horizontal. El área de dicha región, que representa la integral, puede ser finita (como aquí) o infinita.Una integral de Riemann impropia de segundo tipo, donde la región implícita es infinita verticalmente. La región puede tener un área finita (como aquí) o infinita.
En análisis matemático , una integral impropia es una extensión de la noción de integral definida a casos que violan los supuestos habituales para ese tipo de integral. [1] En el contexto de las integrales de Riemann (o, equivalentemente, de las integrales de Darboux ), esto normalmente implica la falta de límites, ya sea del conjunto sobre el cual se toma la integral o del integrando (la función que se integra), o de ambos. También puede implicar conjuntos acotados pero no cerrados o funciones acotadas pero no continuas . Si bien una integral impropia generalmente se escribe simbólicamente como una integral definida estándar, en realidad representa un límite de una integral definida o una suma de dichos límites; por tanto, se dice que las integrales impropias convergen o divergen. [2] [1] Si una integral definida regular (que retronímicamente puede llamarse integral propia ) se calcula como si fuera impropia, se obtendrá la misma respuesta.
En el caso más simple de una función de valor real de una sola variable integrada en el sentido de Riemann (o Darboux) en un solo intervalo, las integrales impropias pueden adoptar cualquiera de las siguientes formas:
, donde es indefinido o discontinuo en algún lugar de
Las primeras tres formas son impropias porque las integrales se toman en un intervalo ilimitado. (También pueden ser inadecuados por otras razones, como se explica a continuación). Una integral de este tipo a veces se describe como del "primer" tipo o clase si el integrando satisface de otro modo los supuestos de integración. [2] Las integrales en la cuarta forma que son impropias porque tienen una asíntota vertical en algún lugar del intervalo pueden describirse como del "segundo" tipo o tipo. [2] Las integrales que combinan aspectos de ambos tipos a veces se describen como del "tercer" tipo o especie. [2]
En cada caso anterior, la integral impropia se debe reescribir usando uno o más límites, dependiendo de la causa de que la integral sea impropia. Por ejemplo, en el caso 1, si es continuo en todo el intervalo , entonces
El límite de la derecha se considera la definición de la notación integral de la izquierda.
Si solo es continuo y no en sí mismo, normalmente se reescribe como
para cualquier elección de . Aquí ambos límites deben converger a un valor finito para que se diga que la integral impropia converge. Este requisito evita el caso ambiguo de sumar infinitos positivos y negativos (es decir, la " " forma indeterminada ). Alternativamente, se podría utilizar un límite iterado o un límite único basado en el valor principal de Cauchy .
para cualquier elección de . Las observaciones anteriores sobre formas indeterminadas, límites iterados y el valor principal de Cauchy también se aplican aquí.
La función puede tener más discontinuidades, en cuyo caso se requerirían incluso más límites (o una expresión de valor principal más complicada).
Los casos 2 a 4 se tratan de manera similar. Vea los ejemplos a continuación.
Las integrales impropias también se pueden evaluar en el contexto de números complejos, en dimensiones superiores y en otros marcos teóricos como la integración de Lebesgue o la integración de Henstock-Kurzweil . Las integrales que se consideran impropias en un marco pueden no serlo en otros.
Ejemplos
La definición original de la integral de Riemann no se aplica a una función como la del intervalo [1, ∞) , porque en este caso el dominio de integración es ilimitado . Sin embargo, la integral de Riemann a menudo se puede extender por continuidad , definiendo la integral impropia como un límite.
La definición estricta de la integral de Riemann tampoco cubre la función en el intervalo [0, 1] . El problema aquí es que el integrando no está acotado en el dominio de la integración. En otras palabras, la definición de la integral de Riemann requiere que tanto el dominio de integración como el integrando estén acotados . Sin embargo, la integral impropia sí existe si se entiende como el límite
La integral impropia tiene intervalos ilimitados tanto para el dominio como para el rango.
A veces las integrales pueden tener dos singularidades cuando son impropias. Considere, por ejemplo, la función 1/(( x + 1) √ x ) integrada de 0 a ∞ (que se muestra a la derecha). En el límite inferior del dominio de integración, cuando x va a 0, la función va a ∞ , y el límite superior es en sí mismo ∞ , aunque la función va a 0. Por tanto, ésta es una integral doblemente impropia. Integrada, digamos, de 1 a 3, una suma de Riemann ordinaria es suficiente para producir un resultado de π /6. Para integrar de 1 a ∞ , no es posible una suma de Riemann. Sin embargo, cualquier límite superior finito, digamos t (con t > 1 ), da un resultado bien definido, 2 arctan( √ t ) − π/2 . Esto tiene un límite finito cuando t tiende al infinito, es decir, π /2. De manera similar, la integral de 1/3 a 1 también permite una suma de Riemann, lo que nuevamente produce coincidentemente π /6. Reemplazar 1/3 por un valor positivo arbitrario s (con s < 1 ) es igualmente seguro, dando π/2 − 2 arctan( √ s ) . Esto también tiene un límite finito cuando s tiende a cero, es decir, π /2. Combinando los límites de los dos fragmentos, el resultado de esta integral impropia es
Este proceso no garantiza el éxito; un límite podría no existir o podría ser infinito. Por ejemplo, en el intervalo acotado de 0 a 1 la integral de 1/ x no converge; y en el intervalo ilimitado de 1 a ∞ la integral de 1/ √ x no converge.
La integral impropia converge, ya que existen límites izquierdo y derecho, aunque el integrando no está acotado cerca de un punto interior.
También puede suceder que un integrando no esté acotado cerca de un punto interior, en cuyo caso la integral debe dividirse en ese punto. Para que la integral en su conjunto converja, las integrales límite en ambos lados deben existir y deben estar acotadas. Por ejemplo:
Pero la integral similar
No se le puede asignar un valor de esta manera, ya que las integrales por encima y por debajo de cero en el dominio integral no convergen de forma independiente. (Sin embargo, consulte Valor principal de Cauchy ).
Convergencia de la integral
Una integral impropia converge si existe el límite que la define. Así por ejemplo se dice que la integral impropia
existe y es igual a L si las integrales bajo el límite existen para todos los t suficientemente grandes , y el valor del límite es igual a L.
También es posible que una integral impropia diverja hasta el infinito. En ese caso, se puede asignar el valor de ∞ (o −∞) a la integral. Por ejemplo
Sin embargo, otras integrales impropias pueden simplemente divergir en ninguna dirección particular, como
que no existe, ni siquiera como un número real extendido . Esto se llama divergencia por oscilación.
Una limitación de la técnica de integración inadecuada es que el límite debe tomarse con respecto a un punto final a la vez. Así, por ejemplo, una integral impropia de la forma
se puede definir tomando dos límites separados; a la que
siempre que el límite doble sea finito. También se puede definir como un par de integrales impropias distintas del primer tipo:
donde c es cualquier punto conveniente en el que iniciar la integración. Esta definición también se aplica cuando una de estas integrales es infinita, o ambas si tienen el mismo signo.
Un ejemplo de integral impropia donde ambos puntos finales son infinitos es la integral gaussiana . Un ejemplo que se evalúa hasta el infinito es . Pero ni siquiera se pueden definir sin ambigüedades otras integrales de este tipo, como por ejemplo , ya que el doble límite es infinito y el método de las dos integrales
Hay más de una teoría de la integración . Desde el punto de vista del cálculo, la teoría integral de Riemann suele asumirse como la teoría por defecto. Al utilizar integrales impropias, puede importar qué teoría de integración esté en juego.
Para la integral de Riemann (o la integral de Darboux , que es equivalente a ella), la integración impropia es necesaria tanto para intervalos ilimitados (ya que no se puede dividir el intervalo en un número finito de subintervalos de longitud finita) como para funciones ilimitadas con integral finita (ya que, suponiendo que arriba no está acotada, entonces la integral superior será infinita, pero la integral inferior será finita).
La integral de Lebesgue trata de manera diferente con dominios ilimitados y funciones ilimitadas, de modo que a menudo una integral que sólo existe como una integral de Riemann impropia existirá como una integral de Lebesgue (adecuada), como . Por otro lado, también hay integrales que tienen una integral de Riemann impropia pero no tienen una integral de Lebesgue (adecuada), como . La teoría de Lebesgue no ve esto como una deficiencia: desde el punto de vista de la teoría de la medida , no puede definirse satisfactoriamente. En algunas situaciones, sin embargo, puede resultar conveniente emplear integrales de Lebesgue impropias como es el caso, por ejemplo, al definir el valor principal de Cauchy . La integral de Lebesgue es más o menos esencial en el tratamiento teórico de la transformada de Fourier , con un uso generalizado de integrales en toda la recta real.
Para la integral de Henstock-Kurzweil , la integración inadecuada no es necesaria , y esto se considera una fortaleza de la teoría: abarca todas las funciones integrables de Lebesgue y integrables de Riemann impropias.
Integrales de Riemann impropias e integrales de Lebesgue
Figura 1Figura 2
En algunos casos, la integral
puede definirse como una integral (una integral de Lebesgue , por ejemplo) sin referencia al límite
pero no puede calcularse convenientemente de otro modo. Esto sucede a menudo cuando la función f que se integra de a a c tiene una asíntota vertical en c , o si c = ∞ (ver Figuras 1 y 2). En tales casos, la integral de Riemann impropia permite calcular la integral de Lebesgue de la función. Específicamente, se cumple el siguiente teorema (Apostol 1974, Teorema 10.33):
Si una función f es integrable de Riemann en [ a , b ] para todo b ≥ a , y las integrales parciales
están acotados como b → ∞, entonces las integrales impropias de Riemann
ambos existen. Además, f es integrable de Lebesgue en [ a , ∞), y su integral de Lebesgue es igual a su integral de Riemann impropia.
Por ejemplo, la integral
puede interpretarse alternativamente como la integral impropia
o puede interpretarse como una integral de Lebesgue sobre el conjunto (0, ∞). Dado que ambos tipos de integrales concuerdan, uno es libre de elegir el primer método para calcular el valor de la integral, incluso si en última instancia desea considerarla como una integral de Lebesgue. Por tanto, las integrales impropias son herramientas claramente útiles para obtener los valores reales de las integrales.
En otros casos, sin embargo, es posible que ni siquiera se defina una integral de Lebesgue entre puntos finales finitos, porque las integrales de las partes positiva y negativa de f son ambas infinitas, pero la integral de Riemann impropia aún puede existir. Tales casos son integrales "propiamente impropias", es decir, sus valores no pueden definirse excepto como tales límites. Por ejemplo,
no puede interpretarse como una integral de Lebesgue, ya que
Sin embargo, es integrable entre dos puntos finales finitos cualesquiera, y su integral entre 0 y ∞ generalmente se entiende como el límite de la integral:
Singularidades
Se puede hablar de las singularidades de una integral impropia, es decir, aquellos puntos de la recta numérica real extendida en los que se utilizan límites.
Valor principal de Cauchy
Considere la diferencia de valores de dos límites:
El primero es el valor principal de Cauchy de la expresión que de otro modo estaría mal definida
De manera similar, tenemos
pero
El primero es el valor principal de la expresión que de otro modo estaría mal definida.
Estas patologías no afectan a las funciones "integrables de Lebesgue", es decir, funciones cuyas integrales tienen valores absolutos finitos.
Sumabilidad
Una integral impropia puede divergir en el sentido de que el límite que la define puede no existir. En este caso, existen definiciones más sofisticadas del límite que pueden producir un valor convergente para la integral impropia. Estos se denominan métodos de sumabilidad .
existe y es finito (Titchmarsh 1948, §1.15). El valor de este límite, si existe, es la suma (C, α) de la integral.
Una integral es (C, 0) sumable precisamente cuando existe como una integral impropia. Sin embargo, hay integrales que son (C, α) sumables para α > 0 que no convergen como integrales impropias (en el sentido de Riemann o Lebesgue). Un ejemplo es la integral
que no existe como integral impropia, pero es (C, α ) sumable para cada α > 0. Esta es una versión integral de la serie de Grandi .
Integrales impropias multivariables
La integral impropia también se puede definir para funciones de varias variables. La definición es ligeramente diferente, dependiendo de si se requiere integrar en un dominio ilimitado, como , o si se integra una función con singularidades, como .
Integrales impropias sobre dominios arbitrarios
Si es una función no negativa que es integrable de Riemann sobre todo cubo compacto de la forma , entonces la integral impropia de f sobre se define como el límite
siempre que exista.
Una función en un dominio arbitrario A en se extiende a una función en por cero fuera de A :
La integral de Riemann de una función sobre un dominio acotado A se define entonces como la integral de la función extendida sobre un cubo que contiene A :
De manera más general, si A no está acotado, entonces la integral de Riemann impropia sobre un dominio arbitrario en se define como el límite:
Integrales impropias con singularidades
Si f es una función no negativa que no está acotada en un dominio A , entonces la integral impropia de f se define truncando f en algún punto de corte M , integrando la función resultante y luego tomando el límite cuando M tiende al infinito. Eso es para , conjunto . Luego define
siempre que exista este límite.
Funciones con valores positivos y negativos.
Estas definiciones se aplican a funciones que no son negativas. Una función más general f se puede descomponer como la diferencia de su parte positiva y su parte negativa , entonces
con y ambas funciones no negativas. La función f tiene una integral de Riemann impropia si cada uno de y tiene una, en cuyo caso el valor de esa integral impropia está definido por
Para existir en este sentido, la integral impropia necesariamente converge absolutamente, ya que
[3] [4]
Notas
^ ab Buck, R. Creighton (1965). Cálculo avanzado (2ª ed.). McGraw-Hill. págs. 133-134.
^ abcd Spiegel, Murray R. (1963). Esquema de la teoría y problemas de cálculo avanzado de Schaum . McGraw-Hill. pag. 260.ISBN _0-07-060229-8.
^ Cooper 2005, pag. 538: "Necesitamos hacer esta definición más sólida de convergencia en términos de | f ( x ) | porque la cancelación en las integrales puede ocurrir de muchas maneras diferentes en dimensiones superiores".
^ Ghorpade y Limaye 2010, pág. 448: "La noción relevante aquí es la de convergencia incondicional". ... "De hecho, para integrales impropias de tales funciones, la convergencia incondicional resulta equivalente a la convergencia absoluta".
Apostol, T (1967), Cálculo, vol. 1 (2ª ed.), Jon Wiley e hijos.
Autar Kaw, Egwu Kalu (2008), Métodos numéricos con aplicaciones (1ª ed.), autarkaw.com
Titchmarsh, E (1948), Introducción a la teoría de las integrales de Fourier (2ª ed.), Nueva York, NY: Chelsea Pub. Co. (publicado en 1986), ISBN 978-0-8284-0324-5.
Cooper, Jeffery (2005), Análisis de trabajo , Gulf Professional
Ghorpade, Sudhir; Limaye, Balmohan (2010), Un curso de cálculo y análisis multivariable , Springer
enlaces externos
Métodos numéricos para resolver integrales impropias en el Holistic Numerical Methods Institute