Versione italiana
Esercizi sugli integrali impropri
Teoria degli Integrali Impropri
Definizione
Un integrale improprio è un integrale che presenta una delle seguenti caratteristiche:
-
Limiti Infiniti: L’integrale ha almeno uno dei limiti di integrazione che tende a infinito. Ad esempio:
\int_{a}^{\infty} f(x) \, dx
-
Discontinuità: La funzione integranda presenta discontinuità in un punto all’interno dell’intervallo di integrazione. Ad esempio:
\int_{a}^{b} f(x) \, dx
dove f(x) ha una discontinuità in c \in (a, b).
Calcolo degli Integrali Impropri
Per calcolare un integrale improprio, si utilizza il limite. Ad esempio, per un integrale con limite infinito:
\int_{a}^{\infty} f(x) \, dx = \lim_{b \to \infty} \int_{a}^{b} f(x) \, dx
Per un integrale con discontinuità:
\int_{a}^{b} f(x) \, dx = \lim_{\epsilon \to 0} \left( \int_{a}^{c - \epsilon} f(x) \, dx + \int_{c + \epsilon}^{b} f(x) \, dx \right)
Esercizi sugli Integrali Impropri
Esercizio 1: Limite Infinito
Calcola l’integrale improprio:
I = \int_{1}^{\infty} \frac{1}{x^2} \, dx
Soluzione:
Scriviamo l’integrale come limite:
I = \lim_{b \to \infty} \int_{1}^{b} \frac{1}{x^2} \, dx
Calcoliamo l’integrale definito:
\int \frac{1}{x^2} \, dx = -\frac{1}{x}
Quindi,
I = \lim_{b \to \infty} \left[ -\frac{1}{x} \right]_{1}^{b} = \lim_{b \to \infty} (-\frac{1}{b} + 1) = 0 + 1 = 1
L’integrale converge a 1.
Esercizio 2: Discontinuità
Calcola l’integrale improprio:
I = \int_{0}^{1} \frac{1}{\sqrt{x}} \, dx
Soluzione:
Poiché la funzione ha una discontinuità in x = 0, scriviamo l’integrale come limite:
I = \lim_{\epsilon \to 0^+} \int_{\epsilon}^{1} x^{-\frac{1}{2}}\, dx
Calcoliamo l’integrale definito:
\int x^{-\frac{1}{2}}\, dx = 2x^{\frac{1}{2}}
Quindi,
I = \lim_{\epsilon \to 0^+} [2x^{\frac{1}{2}}]_{\epsilon}^{1} = 2(1 - (\sqrt{\epsilon})) = 2(1 - 0) = 2
L’integrale converge a 2.
Esercizio 3: Limite Infinito con Funzione Esponenziale
Calcola l’integrale improprio:
I = \int_{0}^{\infty} e^{-x} \, dx
Soluzione:
Scriviamo l’integrale come limite:
I = \lim_{b \to \infty} \int_{0}^{b} e^{-x} \, dx
Calcoliamo l’integrale definito:
\int e^{-x}\, dx = -e^{-x}
Quindi,
I = \lim_{b \to \infty} [-e^{-x}]_{0}^{b} = -e^{-b} + e^{0}
Poiché e^{-b} tende a 0 quando b tende a infinito:
I = 0 + 1 = 1
L’integrale converge a 1.
Esercizio 4: Confronto di Integrali Impropri
Determina se gli integrali seguenti convergono o divergono:
a) I_1 = \int_{1}^{\infty} e^{-x^2}\, dx
b) I_2 = \int_{0}^{\infty} x\, e^{-x}\, dx
Soluzione:
a) Per l’integrale I_1 possiamo notare che la funzione e^{-x^2} decresce molto rapidamente. Possiamo confrontare con una funzione che sappiamo converge. Infatti,
I_1 < I_3 = C
per qualche costante C. Dunque, converge.
b) Per l’integrale I_2 possiamo calcolare direttamente:
Utilizziamo il limite:
I_2 = \lim_{b\to\infty}\int_0^b x e^{-x}\,dx
Utilizzando integrazione per parti con u=x e dv=e^{-x}\,dx, otteniamo:
- du=dx
- v=-e^{-x}
Quindi,
I_2=\lim_{b\to\infty}\left[-xe^{-x}\bigg|_0^b+\int_0^be^{-x}\,dx\right] =0+[-e^{-x}]_0^b=0+(-(-e^{0}))=1
L’integrale converge a 1.
English version
Improper Integral Exercises
Improper Integral Theory
Definition
An improper integral is an integral that has one of the following characteristics:
- Infinite Limits: The integral has at least one of the limits of integration that tends to infinity. For example:
\int_{a}^{\infty} f(x) \, dx
- Discontinuity: The integrand function has discontinuity at a point within the interval of integration. For example:
\int_{a}^{b} f(x) \, dx
where f(x) has a discontinuity at c \in (a, b).
Improper Integral Calculation
To calculate an improper integral, the limit is used. For example, for an integral with infinite limit:
\int_{a}^{\infty} f(x) \, dx = \lim_{b \to \infty} \int_{a}^{b} f(x) \, dx
For an integral with discontinuity:
\int_{a}^{b} f(x) \, dx = \lim_{\epsilon \to 0} \left( \int_{a}^{c - \epsilon} f(x) \, dx + \int_{c + \epsilon}^{b} f(x) \, dx \right)
Exercises on Improper Integrals
Exercise 1: Infinite Limit
Calculate the improper integral:
I = \int_{1}^{\infty} \frac{1}{x^2} \, dx
Solution:
Let’s write the integral as a limit:
I = \lim_{b \to \infty} \int_{1}^{b} \frac{1}{x^2} \, dx
Let’s calculate the definite integral:
\int \frac{1}{x^2} \, dx = -\frac{1}{x}
So,
I = \lim_{b \to \infty} \left[ -\frac{1}{x} \right]_{1}^{b} = \lim_{b \to \infty} (-\frac{1}{b} + 1) = 0 + 1 = 1
The integral converges to 1.
Exercise 2: Discontinuity
Calculate the improper integral:
I = \int_{0}^{1} \frac{1}{\sqrt{x}} \, dx
Solution:
Since the function has a discontinuity at x = 0, we write the integral as a limit:
I = \lim_{\epsilon \to 0^+} \int_{\epsilon}^{1} x^{-\frac{1}{2}}\, dx
Calculate the definite integral:
\int x^{-\frac{1}{2}}\, dx = 2x^{\frac{1}{2}}
So,
I = \lim_{\epsilon \to 0^+} [2x^{\frac{1}{2}}]_{\epsilon}^{1} = 2(1 - (\sqrt{\epsilon})) = 2(1 - 0) = 2
The integral converges to 2.
Exercise 3: Infinite Limit with Exponential Function
Calculate the improper integral:
I = \int_{0}^{\infty} e^{-x} \, dx
Solution:
Let’s write the integral as a limit:
I = \lim_{b \to \infty} \int_{0}^{b} e^{-x} \, dx
Let’s calculate the definite integral:
\int e^{-x}\, dx = -e^{-x}
So,
I = \lim_{b \to \infty} [-e^{-x}]_{0}^{b} = -e^{-b} + e^{0}
Since e^{-b} tends to 0 when b tends to infinity:
I = 0 + 1 = 1
The integral converges to 1.
Exercise 4: Comparison of Improper Integrals
Determine whether the following integrals converge or diverge:
a) I_1 = \int_{1}^{\infty} e^{-x^2}\, dx
b) I_2 = \int_{0}^{\infty} x\, e^{-x}\, dx
Solution:
a) For the integral I_1 we can notice that the function e^{-x^2} decreases very rapidly. We can compare with a function that we know converges. In fact,
I_1 < I_3 = C
for some constant C. Therefore, converges.
b) For the integral I_2 we can directly calculate:
We use the limit:
I_2 = \lim_{b\to\infty}\int_0^b x e^{-x}\,dx
Using integration by parts with u=x and dv=e^{-x}\,dx, we get:
- du=dx
- v=-e^{-x}
So,
I_2=\lim_{b\to\infty}\left[-xe^{-x}\bigg|_0^b+\int_0^be^{-x}\,dx\right] =0+[-e^{-x}]_0^b=0+(-(-e^{0}))=1
The integral converges to 1.
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