11.3 O critério de comparação
Em geral, nas aplicações, a primeira questão é de saber se uma integral
imprópria converge ou não. Em muitos casos, é mais importante saber se uma
integral converge do que conhecer o seu valor exato.
O nosso objetivo nesta seção será de mostrar como a convergência/divergência de uma integral imprópria pode às vezes ser obtida por comparação com uma outra integral imprópria, mais fácil de estudar. Comecemos com um exemplo elementar:
Exemplo 11.5.
Pela definição, estudar a integral imprópria significa estudar o limite . Ora, calcular a primitiva de é possível, mas dá um certo trabalho, como visto no Exercício 9.23. Por outro lado, em termos do comportamento em para grande, a função não é muito diferente da função . Na verdade, para todo , é sempre maior que . Logo, é menor que no intervalo , o que se traduz, em termos de integral definida, por
Tomando o limite em ambos lados obtemos
Logo, se a integral do lado direito de (11.5) é finita, a do lado esquerdo é finita também. Ora, a do lado direito é da forma com . Logo, pelo Teorema 11.1, ela converge, portanto (11.5) implica que converge também.
Assim, foi provado com custo mínimo que converge, sem passar pela primitiva de . O leitor interessado em calcular o valor exato de , poderá usar a primitiva obtida no Exercício 9.23.
Comparação pode ser usada também para mostrar que uma integral diverge:
Exemplo 11.6.
Considere . Aqui, podemos lembrar da integral , que diverge pelo Teorema 11.1. As duas integrais podem ser comparadas observando que para todo , logo para todo . Logo, após ter tomado o limite ,
Logo, como a integral do lado diverge e vale , a do lado direito também.
É importante ressaltar que o método usado acima funciona somente se as funções comparadas são ambas não-negativas! O método de comparação pode ser resumido da seguinte maneira:
Proposição 11.1.
Sejam contínuas, tais que para todo . Então
Em particular, se converge, então converge também, e se diverge, então diverge também.
Observação 11.2.
O método de comparação é útil em certos casos, mas ele não diz qual deve ser a função usada na comparação. Em geral, a escolha da função depende da situação. Por exemplo, a presença de no denominador levou naturalmente a comparar com , cuja integral imprópria é finita. Portanto, para mostrar que uma integral imprópria converge, é preciso procurar uma função tal que e cuja integral imprópria é finita; para mostrar que diverge, é preciso procurar uma função tal que e cuja integral imprópria é infinita.
Exercício 11.9.
Quando for possível, estude as seguintes integrais via uma comparação.
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1.
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10.
Consideremos agora um resultado contraintuitivo, decorrente do manuseio de integrais impróprias:
Exemplo 11.7.
Considere o sólido de revolução obtido rodando o gráfico da função em torno do eixo , para (o sólido obtido é às vezes chamado de “vuvuzela”). O seu volume é dado por
que é convergente se , divergente caso contrário. Por outro lado, como , a área da sua superfície é dada por
Como , temos , que é divergente se . Logo, é interessante observar que quando , o sólido de revolução considerado possui um volume finito, mas uma superfície infinita.