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1


Improper Integrals

Up to this point we have only discussed integrals of bounded functions on a finite
interval. We will now investigate integrals of functions over unbounded intervals
and integrals of functions with infinite discontinuities.


Infinite Intervals

𝑏 1
So far we know how to evaluate ∫1 𝑑𝑥, 𝑏 ≥ 1.
𝑥2




1 𝑏



𝑏
1 −1 𝑏 −1 1
∫ 2 𝑑𝑥 = | = +1=1− .
1 𝑥 𝑥 1 𝑏 𝑏



∞ 1
A natural way to define ∫1 𝑑𝑥 is to say:
𝑥2


∞ 𝑏
1 1 1
∫ 2 𝑑𝑥 = 𝑙𝑖𝑚 ∫ 2 𝑑𝑥 = 𝑙𝑖𝑚 (1 − ) = 1.
1 𝑥 𝑏→∞ 1 𝑥 𝑏→∞ 𝑏

, 2


Definitions of integrals over infinite intervals:

1. If 𝑓 is continuous on [𝑎, ∞), then:

∞ 𝒃
∫ 𝒇(𝒙)𝒅𝒙 = 𝒍𝒊𝒎 ∫ 𝒇(𝒙)𝒅𝒙
𝒂 𝒃→∞ 𝒂


2. If 𝑓 is continuous on (−∞, 𝑏], then:

𝒃 𝒃
∫ 𝒇(𝒙)𝒅𝒙 = 𝒍𝒊𝒎 ∫ 𝒇(𝒙)𝒅𝒙
−∞ 𝒂→−∞ 𝒂


3. If 𝑓 is continuous on (−∞, ∞), then:

∞ 𝒄 ∞
∫ 𝒇(𝒙)𝒅𝒙 = ∫ 𝒇(𝒙)𝒅𝒙 + ∫ 𝒇(𝒙)𝒅𝒙
−∞ −∞ 𝒄
where 𝑐 is any real number.


In the first two cases, if the limit exists, we say the improper integral
converges, otherwise we say that the improper integral diverges. In the third
case, the improper integral on the left diverges if either improper integral on
the right diverges. The improper integral on the left converges only if both
improper integrals on the right converge.

∞ 1
Ex. Decide if the following integral converges or diverges: ∫1 𝑑𝑥.
𝑥2


∞
1 𝑏
1 −1 𝑏 −1
∫ 2 𝑑𝑥 = 𝑙𝑖𝑚 ∫ 2 𝑑𝑥 = 𝑙𝑖𝑚 | = 𝑙𝑖𝑚 ( + 1) = 1
1 𝑥 𝑏→∞ 1 𝑥 𝑏→∞ 𝑥 1 𝑏→∞ 𝑏

∞ 1
So ∫
1 𝑥2
𝑑𝑥 converges.

, 3

∞1
Ex. Evaluate ∫
1 𝑥
𝑑𝑥.


∞ 𝑏
1 1 𝑏
∫ 𝑑𝑥 = 𝑙𝑖𝑚 ∫ 𝑑𝑥 = 𝑙𝑖𝑚 𝑙𝑛𝑥| = 𝑙𝑖𝑚 (𝑙𝑛𝑏 − 𝑙𝑛1)
1 𝑥 𝑏→∞ 1 𝑥 𝑏→∞ 1 𝑏→∞

=∞
So the integral diverges.



0
Ex. Evaluate ∫−∞ 𝑥𝑒 𝑥 𝑑𝑥 .


0 0
∫ 𝑥𝑒 𝑑𝑥 = 𝑙𝑖𝑚 ∫ 𝑥𝑒 𝑥 𝑑𝑥
𝑥
−∞ 𝑎→−∞ 𝑎

Now integrate by parts:
Let 𝑢 = 𝑥 𝑣 = 𝑒𝑥
𝑑𝑢 = 𝑑𝑥 𝑑𝑣 = 𝑒 𝑥 𝑑𝑥
0
= lim ( 𝑥𝑒 𝑥 |0𝑎 − ∫𝑎 𝑒 𝑥 𝑑𝑥 )
𝑎→−∞


= 𝑙𝑖𝑚 (0 − 𝑎𝑒 𝑎 − 𝑒 𝑥 |0𝑎 ) = 𝑙𝑖𝑚 (−𝑎𝑒 𝑎 − (𝑒 0 − 𝑒 𝑎 ))
𝑎→−∞ 𝑎→−∞
= 𝑙𝑖𝑚 (−𝑎𝑒 𝑎 − 1 + 𝑒 𝑎 ) ;
𝑎→−∞
𝑎 −1
𝑙𝑖𝑚 𝑎𝑒 𝑎 = 𝑙𝑖𝑚 = 𝑙𝑖𝑚 (L'Hospital's Rule)
𝑎→−∞ 𝑎→−∞ 𝑒 −𝑎 𝑎→−∞ 𝑒 −𝑎

= 0.
So we have:

0
∫ 𝑥𝑒 𝑥 𝑑𝑥 = 𝑙𝑖𝑚 (−𝑎𝑒 𝑎 − 1 + 𝑒 𝑎 ) = −1.
−∞ 𝑎→−∞

Información del documento

Subido en
26 de diciembre de 2024
Número de páginas
16
Escrito en
2024/2025
Tipo
Notas de lectura
Profesor(es)
Awuor
Contiene
Todas las clases
$13.89

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