Skip to content Study Mondo Free study resources for students from Grade 4 through AP and test prep. 24 courses, 700+ topics.
Courses Features Company Stay Ahead in School Free weekly study tips, practice sets, and exam strategies. Join 10,000+ students.
ยฉ 2026 Study Mondo. Built for students.
APยฎ is a trademark registered by the College Board, which is not affiliated with, and does not endorse, this website.
Improper Integrals - Interactive Lesson | Study Mondo
Improper Integrals - Complete Interactive Lesson Part 1: Infinite Limits of Integration Improper Integrals
Part 1 of 7 โ Infinite Limits of Integration (Type I)
An improper integral has either an infinite limit of integration or an integrand with a discontinuity. This part covers Type I โ integrals to ยฑ โ \pm\infty ยฑ โ .
Part Topic 1 Infinite Limits (Type I) 2 Discontinuous Integrands (Type II) 3 Convergence vs. Divergence 4 Comparison Tests 5 The p-Integral Test 6 Problem-Solving Workshop 7 Comprehensive Review
Definition of Type I Improper Integrals
โซ a โ f ( x ) โ d x = lim โก t โ โ โซ a t f ( x ) โ d x \boxed{\int_a^{\infty} f(x)\,dx = \lim_{t \to \infty} \int_a^t f(x)\,dx} โซ a โ โ f ( x
Worked Example: โซ 1 โ 1 x 2 โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{x^2}\,dx โซ 1 โ โ x 2 1 โ
Convergence or Divergence?
Evaluate an Improper Integral
Key Takeaways โ Part 1
Integral Result โซ 1 โ 1 x โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{x}\,dx โซ 1 โ โ x 1 โ
Part 2: The p-Test Improper Integrals
Part 2 of 7 โ Discontinuous Integrands (Type II)
Type II improper integrals have a vertical asymptote or discontinuity within [ a , b ] [a,b] [ a , b ] . The integrand โblows upโ at one or more points.
Type II Definitions
Discontinuity at x = b x = b x = b (right endpoint):
โซ a b f ( x ) โ d x = lim โก t โ b โ โซ a t f ( x
Part 3: Discontinuous Integrands (Type 2) Improper Integrals
Part 3 of 7 โ Convergence vs. Divergence
Not every improper integral needs full computation. Key tests let you determine convergence or divergence quickly. This part builds your toolkit.
The p p p -Integral (Most Important Test)
โซ 1 โ 1 x p โ d x { convergesย toย 1 p โ 1 ifย p > 1 diverges ifย p โค 1 \boxed{\int_1^{\infty} \frac{1}{x^p}\,dx \quad \begin{cases} \text{converges to } \frac{1}{p-1} & \text{if } p > 1 \\ \text{diverges} & \text{if } p \le 1 \end{cases}}
Part 4: Comparison Test Improper Integrals
Part 4 of 7 โ Comparison Tests
When you canโt find an antiderivative, comparison tests let you determine convergence by comparing to a simpler integral whose behavior you already know.
Direct Comparison Test (DCT)
For f ( x ) โฅ 0 f(x) \ge 0 f ( x ) โฅ 0 and g ( x ) โฅ 0 g(x) \ge 0 g ( x ) โฅ 0 on [ a , โ ) [a, \infty) :
Part 5: Both-Sided Improper Integrals Improper Integrals
Part 5 of 7 โ Special Results & AP Exam Patterns
This part consolidates key results that appear repeatedly on the AP Calculus BC exam and prepares you for free-response improper integral problems.
Gallery of Important Improper Integrals
Integral Value Method โซ 0 โ e โ x โ d x \int_0^{\infty} e^{-x}\,dx โซ 0 โ โ e
Part 6: Practice Workshop Improper Integrals
Part 6 of 7 โ Problem-Solving Workshop
This part is a mixed-practice workshop. Every problem integrates concepts from Parts 1โ5. Work through each carefully before checking answers.
Warm-Up: Quick Classification
Classify each integral before computing:
Integral Type Issue โซ 2 โ d x x 2 โ 1 \int_2^{\infty} \frac{dx}{x^2 - 1} โซ 2 โ โ
Part 7: Final Assessment Improper Integrals
Part 7 of 7 โ Comprehensive Review
This final part reviews every concept from the improper integrals unit. Treat it as an AP exam simulation.
Complete Reference Table
Concept Key Formula Convergence Condition Type I lim โก t โ โ โซ a t f ( x ) โ d x \lim_{t \to \infty} \int_a^t f(x)\,dx lim t โ โ โ โซ
)
d
x
=
t โ โ lim โ
โซ a t โ
f
(
x
)
d
x
โ
โซ โ โ b f ( x ) โ d x = lim โก t โ โ โ โซ t b f ( x ) โ d x \int_{-\infty}^{b} f(x)\,dx = \lim_{t \to -\infty} \int_t^b f(x)\,dx โซ โ โ b โ f ( x ) d x = lim t โ โ โ โ โซ t b โ f ( x ) d x
โซ โ โ โ f ( x ) โ d x = โซ โ โ c f ( x ) โ d x + โซ c โ f ( x ) โ d x \int_{-\infty}^{\infty} f(x)\,dx = \int_{-\infty}^{c} f(x)\,dx + \int_c^{\infty} f(x)\,dx โซ โ โ โ โ f ( x ) d x = โซ โ โ c โ f ( x ) d x + โซ c โ โ f ( x ) d x
If the limit... The integral... Exists and is finite Converges Is ยฑ โ \pm\infty ยฑ โ or DNE Diverges
Key Fact: For โซ โ โ โ \int_{-\infty}^{\infty} โซ โ โ โ โ , split at any convenient point c c c (often c = 0 c = 0 c = 0 ). BOTH halves must converge for the whole integral to converge.
d
x
Step Work Replace โ \infty โ with t t t lim โก t โ โ โซ 1 t x โ 2 โ d x \lim_{t \to \infty} \int_1^t x^{-2}\,dx lim t โ โ โ โซ 1 t โ x โ 2 d x Antiderivative lim โก t โ โ [ โ 1 x ] 1 t \lim_{t \to \infty} \left[-\frac{1}{x}\right]_1^t lim t โ โ โ [ โ x 1 โ ] Evaluate bounds lim โก t โ โ ( โ 1 t + 1 ) \lim_{t \to \infty} \left(-\frac{1}{t} + 1\right) lim t โ โ โ ( โ t 1 โ + Take limit 0 + 1 = 1 0 + 1 = 1 0 + 1 = 1
โซ 1 โ 1 x 2 โ d x = 1 ( converges ) \boxed{\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2}\,dx = 1 \quad (\text{converges})} โซ 1 โ โ x 2 1 โ d x = 1 ( converges ) โ
Contrast: โซ 1 โ 1 x โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{x}\,dx โซ 1 โ โ x 1 โ d x lim โก t โ โ [ ln โก t โ ln โก 1 ] = lim โก t โ โ ln โก t = โ \lim_{t \to \infty} [\ln t - \ln 1] = \lim_{t \to \infty} \ln t = \infty lim t โ โ โ [ ln t โ ln 1 ] = lim t โ โ โ ln t = โ
โซ 1 โ 1 x โ d x = โ ( diverges ) \int_1^{\infty} \frac{1}{x}\,dx = \infty \quad (\text{diverges}) โซ 1 โ โ x 1 โ d x = โ ( diverges )
AP Tip: This contrast (1 / x 2 1/x^2 1/ x 2 converges, 1 / x 1/x 1/ x diverges) is fundamental. The โborderโ between convergence and divergence is explored in Part 5 with the p-integral test.
d
x
โซ 1 โ 1 x 2 โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{x^2}\,dx โซ 1 โ โ x 2 1 โ d x 1 1 1 (converges)
โซ 0 โ e โ x โ d x \int_0^{\infty} e^{-x}\,dx โซ 0 โ โ e โ x d x 1 1 1 (converges)
โซ 0 โ e โ a x โ d x \int_0^{\infty} e^{-ax}\,dx โซ 0 โ โ e โ a x d x 1 a \frac{1}{a} a 1 โ for a > 0 a > 0 a > 0
Coming Up: Part 2 covers Type II improper integrals โ when the integrand has a discontinuity within the interval.
) โ d x \int_a^b f(x)\,dx = \lim_{t \to b^-} \int_a^t f(x)\,dx โซ a b โ f ( x ) d x = lim t โ b โ โ โซ a t โ f ( x ) d x
Discontinuity at x = a x = a x = a (left endpoint):
โซ a b f ( x ) โ d x = lim โก t โ a + โซ t b f ( x ) โ d x \int_a^b f(x)\,dx = \lim_{t \to a^+} \int_t^b f(x)\,dx โซ a b โ f ( x ) d x = lim t โ a + โ โซ t b โ f ( x ) d x
Discontinuity at x = c x = c x = c inside ( a , b ) (a,b) ( a , b ) :
โซ a b f ( x ) โ d x = โซ a c f ( x ) โ d x + โซ c b f ( x ) โ d x \int_a^b f(x)\,dx = \int_a^c f(x)\,dx + \int_c^b f(x)\,dx โซ a b โ f ( x ) d x = โซ a c โ f ( x ) d x + โซ c b โ f ( x ) d x
Key Fact: If the discontinuity is INSIDE the interval, you MUST split the integral. Computing the antiderivative across the discontinuity gives a wrong answer. This is a classic AP exam trap.
Worked Example: โซ 0 1 1 x โ d x \int_0^1 \frac{1}{\sqrt{x}}\,dx โซ 0 1 โ x โ 1 โ d x
The integrand 1 x \frac{1}{\sqrt{x}} x โ 1 โ is undefined at x = 0 (left endpoint).
Step Work Replace 0 0 0 with t โ 0 + t \to 0^+ t โ 0 + lim โก t โ 0 + โซ t 1 x โ 1 / 2 โ d x \lim_{t \to 0^+} \int_t^1 x^{-1/2}\,dx lim
โซ 0 1 1 x โ d x = 2 ( converges ) \boxed{\int_0^1 \frac{1}{\sqrt{x}}\,dx = 2 \quad (\text{converges})} โซ 0 1 โ
Contrast: โซ 0 1 1 x โ d x \int_0^1 \frac{1}{x}\,dx โซ 0 1 โ x 1 โ d x
lim โก t โ 0 + [ ln โก x ] t 1 = 0 โ ln โก t = โ lim โก t โ 0 + ln โก t = โ \lim_{t \to 0^+} [\ln x]_t^1 = 0 - \ln t = -\lim_{t \to 0^+} \ln t = \infty lim t โ 0 + โ [ ln x ]
โซ 0 1 1 x โ d x diverges \int_0^1 \frac{1}{x}\,dx \quad \text{diverges} โซ 0 1 โ x 1 โ d x diverges
Interior Discontinuity: โซ โ 1 1 1 x 2 โ d x \int_{-1}^{1} \frac{1}{x^2}\,dx โซ โ 1 1 โ x 2 1 โ d x
1 x 2 \frac{1}{x^2} x 2 1 โ has a vertical asymptote at x = 0 x = 0 x = 0 , which is INSIDE [ โ 1 , 1 .
Wrong approach: Ignoring the discontinuity gives [ โ 1 x ] โ 1 1 = โ 1 โ 1 = โ 2 [-\frac{1}{x}]_{-1}^1 = -1 - 1 = -2 [ โ x 1 โ ] โ 1 1 โ = . This is negative, but everywhere โ clearly wrong!
Correct approach: Split at x = 0 x = 0 x = 0 :
โซ โ 1 0 1 x 2 โ d x + โซ 0 1 1 x 2 โ d x \int_{-1}^{0} \frac{1}{x^2}\,dx + \int_0^1 \frac{1}{x^2}\,dx โซ โ 1 0 โ
Both halves diverge (lim โก t โ 0 1 t = โ \lim_{t \to 0} \frac{1}{t} = \infty lim t โ 0 โ t 1 โ = โ ), so the integral diverges .
AP Tip: Always scan for discontinuities before integrating. If f ( x ) โ โ f(x) \to \infty f ( x ) โ โ anywhere in [ a , b ] [a,b] [ a , b ] , the integral is improper.
Key Takeaways โ Part 2
Type Where the Problem Is How to Handle Type I Infinite limit (ยฑ โ \pm\infty ยฑ โ ) lim โก t โ ยฑ โ \lim_{t \to \pm\infty} lim t โ ยฑ โ โ Type II (endpoint) f f f undefined at a a a or b b b One-sided limit Type II (interior) f f f undefined at c โ ( a , b ) c \in (a,b) c โ ( a , b ) Split and use two limits Both โซ 0 โ 1 x p โ d x \int_0^{\infty} \frac{1}{x^p}\,dx โซ 0 โ โ x p 1 โ
Coming Up: Part 3 develops convergence vs. divergence criteria โ when can you tell without computing?
โซ 1 โ โ x p 1 โ d x { convergesย toย p โ 1 1 โ diverges โ ifย p > 1 ifย p โค 1 โ โ
Value of p p p Integral Result p = 3 p = 3 p = 3 โซ 1 โ 1 x 3 โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{x^3}\,dx โซ 1 โ โ x 3 1 โ d x 1 2 \frac{1}{2} 2 1 โ (converges)p = 2 p = 2 p = 2 โซ 1 โ 1 x 2 โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{x^2}\,dx โซ 1 โ โ x p = 1 p = 1 p = 1 โซ 1 โ 1 x โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{x}\,dx โซ 1 โ โ x p = 1 / 2 p = 1/2 p = 1/2 โซ 1 โ 1 x โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{\sqrt{x}}\,dx โซ 1 โ โ
Memory Device: p = 1 p = 1 p = 1 is the boundary โ converges above, diverges at and below. Think โp > 1 p > 1 p > 1 wins.โ
Type II Version of the p p p -Test
โซ 0 1 1 x p โ d x { convergesย toย 1 1 โ p ifย p < 1 diverges ifย p โฅ 1 \boxed{\int_0^1 \frac{1}{x^p}\,dx \quad \begin{cases} \text{converges to } \frac{1}{1-p} & \text{if } p < 1 \\ \text{diverges} & \text{if } p \ge 1 \end{cases}} โซ 0 1 โ x p 1 โ d x { convergesย toย 1 โ p 1 โ diverges โ ifย p < 1 ifย p โฅ 1 โ
The rule flips! For Type I (โซ 1 โ \int_1^{\infty} โซ 1 โ โ ): converges if p > 1 p > 1 p > 1 . For Type II (โซ 0 1 \int_0^1 โซ ): converges if .
Integral Type p p p Converges? โซ 1 โ 1 x 3 / 2 โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{x^{3/2}}\,dx โซ 1 โ โ
AP Tip: The AP exam loves testing whether students confuse the two p p p -test directions. Always identify the type first.
Behavior Near the Boundary
The case p = 1 p = 1 p = 1 is special:
โซ 1 โ 1 x โ d x = lim โก t โ โ ln โก t = โ \int_1^{\infty} \frac{1}{x}\,dx = \lim_{t \to \infty} \ln t = \infty โซ 1 โ โ x 1 โ d x = lim t โ โ โ ln t = โ (diverges, but very slowly)
โซ 1 โ 1 x 1.001 โ d x = 1 0.001 = 1000 \int_1^{\infty} \frac{1}{x^{1.001}}\,dx = \frac{1}{0.001} = 1000 โซ 1 โ โ x 1.001 (converges, but large)
This shows the p p p -test has a sharp threshold: the tiniest push above p = 1 p = 1 p = 1 makes the integral converge.
Exponential vs. Polynomial Decay
Function Behavior at โ \infty โ โซ 0 โ \int_0^{\infty} โซ 0 โ โ e โ x e^{-x} e
Exponentialย decay โซ polynomialย decay โซ logarithmicย decay \boxed{\text{Exponential decay} \gg \text{polynomial decay} \gg \text{logarithmic decay}} Exponentialย decay โซ polynomialย decay โซ logarithmicย decay โ
Key Takeaways โ Part 3
Test Condition Result Type I p p p -test โซ 1 โ x โ p โ d x \int_1^{\infty} x^{-p}\,dx โซ 1 โ โ x โ p d x Converges iff p > 1 p > 1 p > 1 Type II p p p -test โซ 0 1 x โ p โ d x \int_0^1 x^{-p}\,dx โซ 0 1 โ x โ p d x Converges iff Exponential โซ 0 โ e โ k x โ d x \int_0^{\infty} e^{-kx}\,dx โซ 0 โ โ e โ k x d x Always converges (k > 0 k > 0 )
Coming Up: Part 4 introduces the Comparison Test โ compare unknown integrals to known ones.
[ a , โ )
Ifย 0 โค f ( x ) โค g ( x ) ย andย โซ a โ g ( x ) โ d x ย converges,ย thenย โซ a โ f ( x ) โ d x ย converges. \boxed{\text{If } 0 \le f(x) \le g(x) \text{ and } \int_a^{\infty} g(x)\,dx \text{ converges, then } \int_a^{\infty} f(x)\,dx \text{ converges.}} Ifย 0 โค f ( x ) โค g ( x ) ย andย โซ a โ โ g ( x ) d x ย converges,ย thenย โซ a โ โ f ( x ) d x ย converges. โ
Ifย f ( x ) โฅ g ( x ) โฅ 0 ย andย โซ a โ g ( x ) โ d x ย diverges,ย thenย โซ a โ f ( x ) โ d x ย diverges. \boxed{\text{If } f(x) \ge g(x) \ge 0 \text{ and } \int_a^{\infty} g(x)\,dx \text{ diverges, then } \int_a^{\infty} f(x)\,dx \text{ diverges.}} Ifย f ( x ) โฅ g ( x ) โฅ 0 ย andย โซ a โ โ g ( x ) d x ย diverges,ย thenย โซ a โ โ f ( x ) d x ย diverges. โ
Smaller than a convergent โ convergent (โtrapped below a ceilingโ)
Bigger than a divergent โ divergent (โpushed above a floorโ)
To Show You Need Compare To Convergence f ( x ) โค g ( x ) f(x) \le g(x) f ( x ) โค g ( x ) g g g that convergesDivergence f ( x ) โฅ g ( x ) f(x) \ge g(x) f ( x ) โฅ g ( x ) g g g that diverges
Example: โซ 1 โ 1 x 2 + 1 โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{x^2 + 1}\,dx โซ 1 โ โ x 2 + 1 1 โ d x
We know x 2 + 1 > x 2 x^2 + 1 > x^2 x 2 + 1 > x 2 for all x x x , so:
1 x 2 + 1 < 1 x 2 \frac{1}{x^2 + 1} < \frac{1}{x^2}
Since โซ 1 โ 1 x 2 โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{x^2}\,dx โซ 1 โ โ x 2 1 โ converges ( ):
โซ 1 โ 1 x 2 + 1 โ d x convergesย byย DCT. \int_1^{\infty} \frac{1}{x^2 + 1}\,dx \quad \text{converges by DCT.} โซ 1 โ โ x 2 + 1
Example: โซ 1 โ 1 x โ 0.5 โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{\sqrt{x} - 0.5}\,dx โซ 1 โ โ x
For x โฅ 1 x \ge 1 x โฅ 1 : x โ 0.5 โค x \sqrt{x} - 0.5 \le \sqrt{x} x โ โ 0.5 โค , so .
Since โซ 1 โ 1 x โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{\sqrt{x}}\,dx โซ 1 โ โ x diverges ( ):
โซ 1 โ 1 x โ 0.5 โ d x divergesย byย DCT. \int_1^{\infty} \frac{1}{\sqrt{x} - 0.5}\,dx \quad \text{diverges by DCT.} โซ 1 โ โ x
Limit Comparison Test (LCT)
When direct inequality is hard to establish, use:
Ifย lim โก x โ โ f ( x ) g ( x ) = L , 0 < L < โ , ย thenย โซ f ย andย โซ g ย bothย convergeย orย bothย diverge. \boxed{\text{If } \lim_{x \to \infty} \frac{f(x)}{g(x)} = L, \quad 0 < L < \infty, \text{ then } \int f \text{ and } \int g \text{ both converge or both diverge.}} Ifย x โ โ lim โ g ( x ) f ( x ) โ = L , 0 < L < โ , ย thenย โซ f ย andย โซ g ย bothย convergeย orย bothย diverge. โ
Why this works: If the ratio approaches a finite nonzero constant, the functions decay at the same rate.
Example: โซ 1 โ x x 3 + 5 โ d x \int_1^{\infty} \frac{x}{x^3 + 5}\,dx โซ 1 โ โ x 3 + 5
Compare with g ( x ) = 1 x 2 g(x) = \frac{1}{x^2} g ( x ) = x 2 1 โ (since x x 3 = 1 x 2 \frac{x}{x^3} = \frac{1}{x^2} for large ):
lim โก x โ โ x / ( x 3 + 5 ) 1 / x 2 = lim โก x โ โ x 3 x 3 + 5 = 1 \lim_{x \to \infty} \frac{x/(x^3+5)}{1/x^2} = \lim_{x \to \infty} \frac{x^3}{x^3 + 5} = 1 lim x โ โ โ 1/ x
Since L = 1 โ ( 0 , โ ) L = 1 \in (0, \infty) L = 1 โ ( 0 , โ ) and โซ 1 โ 1 x 2 โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{x^2}\,dx โซ 1 โ โ converges, so does .
AP Tip: The LCT is often the fastest approach on the AP exam. Identify the dominant terms and compare to 1 / x p 1/x^p 1/ x p .
Limit Comparison Computation
Key Takeaways โ Part 4
Test When to Use Key Requirement Direct (DCT) Clear inequality 0 โค f โค g 0 \le f \le g 0 โค f โค g (or f โฅ g โฅ 0 f \ge g \ge 0 f โฅ g โฅ 0 )Limit (LCT) Dominant-term comparison lim โก f / g = L \lim f/g = L lim f / g = L , 0 < L < โ 0 < L < \infty 0 < L < โ
Strategy: Identify the dominant terms as x โ โ x \to \infty x โ โ , form 1 x p \frac{1}{x^p} x p 1 โ , and apply LCT. If p , converges. If , diverges.
Coming Up: Part 5 covers special convergence results and the interplay between p p p -integrals and comparison tests on the AP exam.
โ x
d
x
Direct: [ โ e โ x ] 0 โ [-e^{-x}]_0^{\infty} [ โ e โ x ] 0 โ โ
โซ 0 โ e โ k x โ d x \int_0^{\infty} e^{-kx}\,dx โซ 0 โ โ e โ k x d x (k > 0 k>0 k > 0 )1 k \frac{1}{k} k 1 โ Direct
โซ 0 โ x e โ x โ d x \int_0^{\infty} xe^{-x}\,dx โซ 0 โ โ x e โ x d x 1 1 1 Integration by parts
โซ 0 โ x n e โ x โ d x \int_0^{\infty} x^n e^{-x}\,dx โซ 0 โ โ x n e โ x d x n ! n! n ! IBP n n n times (Gamma function)
โซ 1 โ 1 x 2 โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{x^2}\,dx โซ 1 โ โ x 2 1 โ d x 1 1 1 p p p -test, p = 2 p=2 p = 2
โซ 0 1 1 x โ d x \int_0^1 \frac{1}{\sqrt{x}}\,dx โซ 0 1 โ x โ 1 โ d x 2 2 2 Type II, p = 1 / 2 < 1 p = 1/2 < 1 p = 1/2 < 1
โซ โ โ โ 1 1 + x 2 โ d x \int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{1+x^2}\,dx โซ โ โ โ โ 1 + x 2 1 โ d x ฯ \pi ฯ arctan โก \arctan arctan
โซ 0 โ x e โ x โ d x = 1 and โซ โ โ โ d x 1 + x 2 = ฯ \boxed{\int_0^{\infty} xe^{-x}\,dx = 1 \quad \text{and} \quad \int_{-\infty}^{\infty} \frac{dx}{1+x^2} = \pi} โซ 0 โ โ x e โ x d x = 1 and โซ โ โ โ โ 1 + x 2 d x โ = ฯ โ
AP Tip: Memorize the arctan integral: โซ 0 โ 1 1 + x 2 โ d x = ฯ 2 \int_0^{\infty} \frac{1}{1+x^2}\,dx = \frac{\pi}{2} โซ 0 โ โ 1 + x 2 1 โ d x = 2 ฯ โ . It appears in multiple-choice questions regularly.
The Gamma Function Connection
ฮ ( n + 1 ) = โซ 0 โ x n e โ x โ d x = n ! \Gamma(n+1) = \int_0^{\infty} x^n e^{-x}\,dx = n! ฮ ( n + 1 ) = โซ 0 โ โ x n e โ x d x = n !
n n n โซ 0 โ x n e โ x โ d x \int_0^{\infty} x^n e^{-x}\,dx โซ 0 โ โ x n e
While ฮ \Gamma ฮ is beyond the AP exam, knowing โซ 0 โ x e โ x โ d x = 1 \int_0^{\infty} xe^{-x}\,dx = 1 โซ 0 โ โ x e โ x d x = via IBP is testable.
Derivation: u = x u = x u = x , d v = e โ x d x dv = e^{-x}dx d v = e โ x d x :
โซ 0 โ x e โ x โ d x = [ โ x e โ x
AP Free-Response Pattern
A typical AP FRQ might say:
Let R R R be the unbounded region between y = 1 x 2 y = \frac{1}{x^2} y = x 2 1 โ and the x x x -axis for x โฅ 1 x \ge 1 x โฅ 1 .
(a) Find the area of R R R .
(b) Find the volume when R R R is revolved about the x x x -axis.
(c) Set up, but do not evaluate, the volume when R R R is revolved about the y y y -axis.
Solutions:
(a) A = โซ 1 โ 1 x 2 โ d x = 1 A = \int_1^{\infty} \frac{1}{x^2}\,dx = 1 A = โซ 1 โ โ x 2 (finite area)
Gabrielโsย Horn:ย finiteย volumeย butย infiniteย surfaceย area! \boxed{\text{Gabrielโs Horn: finite volume but infinite surface area!}} Gabrielโsย Horn:ย finiteย volumeย butย infiniteย surfaceย area! โ
Integration by Parts with Improper Integral
Key Takeaways โ Part 5
Must-Know Integrals:
โซ 0 โ e โ k x โ d x = 1 / k \int_0^{\infty} e^{-kx}\,dx = 1/k โซ 0 โ โ e โ k x d x = 1/ k
โซ 0 โ x e โ x โ d x = 1 \int_0^{\infty} xe^{-x}\,dx = 1 โซ 0 โ โ x e โ x d x = 1
โซ 0 โ d x 1 + x 2 = ฯ / 2 \int_0^{\infty} \frac{dx}{1+x^2} = \pi/2 โซ 0 โ โ 1 + x 2
Gabrielโs Horn: y = 1 / x y = 1/x y = 1/ x for x โฅ 1 x \ge 1 x โฅ 1 revolved about the x x x -axis has finite volume (ฯ \pi ฯ ) but infinite surface area.
Coming Up: Part 6 is a Problem-Solving Workshop with mixed practice.
x 2 โ 1 d x
โ
โ \infty โ limit AND x = 1 x=1 x = 1 discontinuity โ but 1 โ [ 2 , โ ) 1 \notin [2,\infty) 1 โ / [ 2 , โ ) , so Type I only
โซ 0 1 d x x 2 โ 1 \int_0^1 \frac{dx}{x^2 - 1} โซ 0 1 โ x 2 โ 1 d x โ Type II Discontinuity at x = 1 x = 1 x = 1 (right endpoint)
โซ 0 โ d x x 2 โ 1 \int_0^{\infty} \frac{dx}{x^2 - 1} โซ 0 โ โ x 2 โ 1 d x โ Both Infinite limit AND discontinuity at x = 1 x = 1 x = 1
Key Lesson: Always check the interval boundaries carefully. A function can be discontinuous at a point, but if that point isnโt in [ a , b ] [a,b] [ a , b ] , the integral is proper (at least regarding that point).
Decision Flowchart
Isย theย intervalย infinite? โ Yes Typeย I \text{Is the interval infinite?} \xrightarrow{\text{Yes}} \text{Type I} Isย theย intervalย infinite? Yes โ Typeย I
Isย f ย undefinedย atย anyย pointย inย [ a , b ] ? โ Yes Typeย II \text{Is }f\text{ undefined at any point in }[a,b]\text{?} \xrightarrow{\text{Yes}} \text{Type II} Isย f ย undefinedย atย anyย pointย inย [ a , b ] ? Yes โ Typeย II
Canย youย findย theย antiderivative? โ Yes Computeย directly \text{Can you find the antiderivative?} \xrightarrow{\text{Yes}} \text{Compute directly} Canย youย findย theย antiderivative? Yes โ Computeย directly
โ No Useย Comparisonย (DCTย orย LCT) \xrightarrow{\text{No}} \text{Use Comparison (DCT or LCT)} No โ Useย Comparisonย (DCTย orย LCT)
Direct Computation Steps:
Replace the problematic bound with a limit variable
Compute the definite integral
Evaluate the limit
State convergent (with value) or divergent
Challenge: Mixed Type
โซ 0 โ 1 x ( 1 + x ) โ d x \int_0^{\infty} \frac{1}{\sqrt{x}(1+x)}\,dx โซ 0 โ โ x โ ( 1 + x ) 1 โ d x
This has BOTH issues: discontinuity at x = 0 x=0 x = 0 (Type II) and โ \infty โ upper limit (Type I).
Split at x = 1 x = 1 x = 1 :
Part A: โซ 0 1 1 x ( 1 + x ) โ d x \int_0^1 \frac{1}{\sqrt{x}(1+x)}\,dx โซ 0 1 โ x โ Type II at
Near x = 0 x = 0 x = 0 : 1 x ( 1 + x ) โ 1 x \frac{1}{\sqrt{x}(1+x)} \approx \frac{1}{\sqrt{x}} x . Since converges ( ), Part A converges.
Part B: โซ 1 โ 1 x ( 1 + x ) โ d x \int_1^{\infty} \frac{1}{\sqrt{x}(1+x)}\,dx โซ 1 โ โ x โ Type I
For large x x x : 1 x ( 1 + x ) โ 1 x 3 / 2 \frac{1}{\sqrt{x}(1+x)} \approx \frac{1}{x^{3/2}} x โ . Since converges ( ), Part B converges.
Full integral converges. (Its exact value is ฯ \pi ฯ , via the substitution u = x u = \sqrt{x} u = x โ .)
Workshop Recap
Common Mistakes to Avoid:
Forgetting to check for interior discontinuities before integrating
Confusing Type I and Type II p p p -test directions
Applying comparison tests with the wrong inequality direction
Not splitting integrals that have both Type I and Type II issues
Coming Up: Part 7 is a Comprehensive Review covering all improper integral concepts.
a
t
โ
f
(
x
)
d
x
Limit exists and is finite
Type II (endpoint) lim โก t โ b โ โซ a t f ( x ) โ d x \lim_{t \to b^-} \int_a^t f(x)\,dx lim t โ b โ โ โซ a t โ f ( x ) d x Limit exists and is finite
Type II (interior) Split at discontinuity Both halves converge
p p p -test (Type I)โซ 1 โ x โ p โ d x = 1 p โ 1 \int_1^{\infty} x^{-p}\,dx = \frac{1}{p-1} โซ 1 โ โ x โ p d x = p โ 1 1 โ p > 1 p > 1 p > 1
p p p -test (Type II)โซ 0 1 x โ p โ d x = 1 1 โ p \int_0^1 x^{-p}\,dx = \frac{1}{1-p} โซ 0 1 โ x โ p d x = 1 โ p 1 โ p < 1 p < 1 p < 1
Direct Comparison 0 โค f โค g 0 \le f \le g 0 โค f โค g Converges if g g g converges
Limit Comparison lim โก f / g = L โ ( 0 , โ ) \lim f/g = L \in (0,\infty) lim f / g = L โ ( 0 , โ ) Same behavior as g g g
Exponential โซ 0 โ e โ k x โ d x = 1 / k \int_0^{\infty} e^{-kx}\,dx = 1/k โซ 0 โ โ e โ k x d x = 1/ k Always (k > 0 k > 0 k > 0 )
Typeย I:ย p > 1 ย converges Typeย II:ย p < 1 ย converges \boxed{\text{Type I: } p > 1 \text{ converges} \qquad \text{Type II: } p < 1 \text{ converges}} Typeย I:ย p > 1 ย converges Typeย II:ย p < 1 ย converges โ
AP FRQ Practice
Problem: The region R R R is bounded by y = 1 x 2 y = \frac{1}{x^2} y = x 2 1 โ , the x x x -axis, and x = 1 x = 1 x = 1 .
(a) Show the area of R R R is finite:
A = โซ 1 โ 1 x 2 โ d x = lim โก t โ โ [ โ 1 x ] 1 t = 0 + 1 = 1 A = \int_1^{\infty} \frac{1}{x^2}\,dx = \lim_{t \to \infty} [-\frac{1}{x}]_1^t = 0 + 1 = 1 A = โซ 1 โ โ
(b) Volume revolved about the x x x -axis:
V = ฯ โซ 1 โ 1 x 4 โ d x = ฯ โ
1 3 = ฯ 3 V = \pi\int_1^{\infty} \frac{1}{x^4}\,dx = \pi \cdot \frac{1}{3} = \frac{\pi}{3} V = ฯ โซ 1 โ โ
(c) Compare: y = 1 / x y = 1/x y = 1/ x (Gabrielโs Horn) has finite volume (ฯ \pi ฯ ) but infinite surface area. The y = 1 / x 2 y = 1/x^2 y = 1/ x 2 version has finite everything.
Key Insight: Whether area/volume/surface area is finite depends on the power of x x x in the denominator.
Unit Summary โ Improper Integrals
The Big Picture:
Type I: infinite bounds โ replace with limit
Type II: discontinuous integrand โ one-sided limit
p p p -test: the fundamental convergence criterion
Comparison tests: extend p p p -test to harder integrals
Key results: e โ k x e^{-kx} e โ k x , arctan โก \arctan arctan , Gabrielโs Horn
AP Exam Checklist:
Can you identify improper integrals?
Can you set up and evaluate both types?
Do you know both p p p -test directions?
Can you apply DCT and LCT?
Can you handle FRQ area/volume problems?
Congratulations! You have mastered improper integrals for AP Calculus BC.
1 t โ
1
)
x = 0 x = 0
t โ 0 + โ
โซ t 1 โ
x โ 1/2
d
x
Antiderivative lim โก t โ 0 + [ 2 x ] t 1 \lim_{t \to 0^+} [2\sqrt{x}]_t^1 lim t โ 0 + โ [ 2 x โ ] t 1 โ
Evaluate lim โก t โ 0 + ( 2 โ 2 t ) \lim_{t \to 0^+} (2 - 2\sqrt{t}) lim t โ 0 + โ ( 2 โ 2 t โ )
Take limit 2 โ 0 = 2 2 - 0 = 2 2 โ 0 = 2
x
โ
1
โ
d
x
=
2
(
converges
)
โ
t
1
โ
=
0 โ
ln t =
โ lim t โ 0 + โ ln t =
โ
] [-1, 1] [ โ 1 , 1 ]
โ 1 โ
1 =
โ 2
1 x 2 > 0 \frac{1}{x^2} > 0 x 2 1 โ > 0 x 2 1 โ
d
x
+
โซ 0 1 โ x 2 1 โ d x
d
x
Split at convenient point
2
1
โ
d
x
1
โ
d
x
1
โ
d
x
โ
0 1
โ
x 3/2
1
โ
d
x
โซ 0 1 1 x 3 / 2 โ d x \int_0^1 \frac{1}{x^{3/2}}\,dx โซ 0 1 โ x 3/2 1 โ d x II 3 / 2 โฅ 1 3/2 \ge 1 3/2 โฅ 1 No
โซ 0 1 1 x 1 / 2 โ d x \int_0^1 \frac{1}{x^{1/2}}\,dx โซ 0 1 โ x 1/2 1 โ d x II 1 / 2 < 1 1/2 < 1 1/2 < 1 Yes
1
โ
d
x
=
0.001 1 โ =
1000
โ x
1 x 2 \frac{1}{x^2} x 2 1 โ Decays like x โ 2 x^{-2} x โ 2 Converges (= 1 = 1 = 1 from 1 1 1 )
1 x \frac{1}{x} x 1 โ Decays like x โ 1 x^{-1} x โ 1 Diverges
1 ln โก x \frac{1}{\ln x} l n x 1 โ Decays slower than x โ 1 x^{-1} x โ 1 Diverges
p < 1 p < 1 p < 1
k
>
0
x 2 + 1 1 โ <
x 2 1 โ
d
x
1
โ
d
x
convergesย byย DCT.
โ
โ
0.5
1
โ
d
x
1 x โ 0.5 โฅ 1 x \frac{1}{\sqrt{x} - 0.5} \ge \frac{1}{\sqrt{x}} x โ โ 0.5 1 โ โฅ x โ 1 โ โ
1
โ
d
x
p = 1 / 2 โค 1 p = 1/2 \le 1 p = 1/2 โค 1 โ
โ
0.5
1
โ
d
x
divergesย byย DCT.
x
โ
d
x
x 3 x โ =
x 2 1 โ
2
x / ( x 3 + 5 )
โ
=
lim x โ โ โ x 3 + 5 x 3 โ =
1
x 2 1 โ
d
x
โซ 1 โ x x 3 + 5 โ d x \int_1^{\infty} \frac{x}{x^3+5}\,dx โซ 1 โ โ x 3 + 5 x โ d x > 1 p > 1 p > 1
โ x
d
x
0 0 0 โซ 0 โ e โ x โ d x \int_0^{\infty} e^{-x}\,dx โซ 0 โ โ e โ x d x 0 ! = 1 0! = 1 0 ! = 1 1 1 1 โซ 0 โ x e โ x โ d x \int_0^{\infty} xe^{-x}\,dx โซ 0 โ โ x e โ x d x 2 2 2 โซ 0 โ x 2 e โ x โ d x \int_0^{\infty} x^2 e^{-x}\,dx โซ 0 โ โ x 2 e 3 3 3 โซ 0 โ x 3 e โ x โ d x \int_0^{\infty} x^3 e^{-x}\,dx โซ 0 โ โ x 3 e
1
] 0 โ + โซ 0 โ e โ x โ d x = 0 + 1 = 1 \int_0^{\infty} xe^{-x}\,dx = [-xe^{-x}]_0^{\infty} + \int_0^{\infty} e^{-x}\,dx = 0 + 1 = 1 โซ 0 โ โ x e โ x d x = [ โ x e โ x ] 0 โ โ + โซ 0 โ โ e โ x d x = 0 + 1 = 1
1
โ
d
x
=
1
(b) V = ฯ โซ 1 โ 1 x 4 โ d x = ฯ โ
1 3 V = \pi \int_1^{\infty} \frac{1}{x^4}\,dx = \pi \cdot \frac{1}{3} V = ฯ โซ 1 โ โ x 4 1 โ d x = ฯ โ
3 1 โ (finite volume) (c) V = 2 ฯ โซ 1 โ x โ
1 x 2 โ d x = 2 ฯ โซ 1 โ 1 x โ d x V = 2\pi \int_1^{\infty} x \cdot \frac{1}{x^2}\,dx = 2\pi \int_1^{\infty} \frac{1}{x}\,dx V = 2 ฯ โซ 1 โ โ x โ
x 2 1 โ d x = 2 ฯ โซ 1 โ โ x 1 โ d x (diverges!) d
x
โ
=
ฯ /2
โ
(
1
+
x
)
1
โ
d
x
โ
(
1
+
x
)
1
โ
โ
โซ 0 1 x โ 1 / 2 โ d x \int_0^1 x^{-1/2}\,dx โซ 0 1 โ x โ 1/2 d x p = 1 / 2 < 1 p = 1/2 < 1 p = 1/2 < 1 โ
(
1
+
x
)
1
โ
d
x
(
1
+
x
)
1
โ
โ
x 3/2 1 โ
โซ 1 โ x โ 3 / 2 โ d x \int_1^{\infty} x^{-3/2}\,dx โซ 1 โ โ x โ 3/2 d x p = 3 / 2 > 1 p = 3/2 > 1 p = 3/2 > 1
x 2 1 โ
d
x
=
lim t โ โ โ [ โ x 1 โ ] 1 t โ =
0 +
1 =
1
x 4 1 โ
d
x
=
ฯ โ
3 1 โ =
3 ฯ โ
1 ! = 1
โ x
d
x
โ x
d
x