Ολοκλήρωμα 32

Συντονιστές: grigkost, Κοτρώνης Αναστάσιος

china university
Δημοσιεύσεις: 68
Εγγραφή: Σάβ Απρ 28, 2012 7:16 pm

Ολοκλήρωμα 32

#1

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από china university »

For p>0, let (Για p>0, έστω)

g(x)=\begin{cases} 
p\left[\dfrac{x}{p}\right]+\dfrac{p}{2}& x\ge 0,\\ 
-g(-x)& x<0 
\end{cases}

Try to prove that for all x \in \mathbb{R} (Προσπαθήστε να δείξετε ότι για κάθε x \in \mathbb{R})

\dfrac{p}{2\pi}\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty}\displaystyle\sum_{n=-[x/p]}^{[x/p]}\dfrac{\sin{\left(n+\dfrac{1}{2}\right)pt}}{\sin{\dfrac{1}{2}pt}}\cdot\dfrac{\sin{xt}}{t}dt=\dfrac{1}{2}[g(x^{+})+g(x^{-})].

I can usually solve similar integrals, but I cannot find the solution to this one. Your help would be appreciated. Thank you.
(Συνήθως μπορώ να υπολογίζω τέτοιου τύπου ολοκληρώματα αλλά δεν μπορώ να βρω τη λύση σε αυτό εδώ. Θα εκτιμούσα τη βοήθειά σας. Ευχαριστώ.)
Τελευταία επεξεργασία από το μέλος Κοτρώνης Αναστάσιος την Τρί Ιαν 22, 2013 1:54 pm, έχει επεξεργασθεί 2 φορές συνολικά.
Λόγος: Μετάφραση
Άβαταρ μέλους
Σεραφείμ
Επιμελητής
Δημοσιεύσεις: 1872
Εγγραφή: Τετ Μάιος 20, 2009 9:14 am
Τοποθεσία: Θεσσαλονίκη - Γιάννενα

Re: Ολοκλήρωμα 32

#2

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από Σεραφείμ »

Θεωρούμε ότι στο θέμα εννοείται ότι : \displaystyle{g\left( {{x^ + }} \right) = \mathop {\lim }\limits_{y \to {x^ + }} g\left( y \right)} και \displaystyle{g\left( {{x^ - }} \right) = \mathop {\lim }\limits_{y \to {x^ - }} g\left( y \right)}

Αν \displaystyle{x < 0} θα ισχύει \displaystyle{\left[ {\frac{x}{p}} \right] < 0} , οπότε το άθροισμα \displaystyle{\sum\limits_{n =  - \left[ {x/p} \right]}^{\left[ {x/p} \right]} {\sin \left( {n + \frac{1}{2}} \right)pt} } δεν έχει νόημα. Γι αυτό θεωρούμε ότι \displaystyle{x \geqslant 0}

Αν \displaystyle{m \in \mathbb{N}} τότε \displaystyle{\mathop {\lim }\limits_{x \to m \cdot {p^ + }} g\left( x \right) = \frac{p}{2} + m \cdot p} και \displaystyle{\mathop {\lim }\limits_{x \to m \cdot {p^ - }} g\left( x \right) = \frac{p}{2} + \left( {m - 1} \right) \cdot p}, οπότε \displaystyle{\frac{1}{2}\left( {g\left( {m \cdot {p^ + }} \right) + g\left( {m \cdot {p^ - }} \right)} \right) = \frac{p}{2} + \left( {\left[ {\frac{x}{p}} \right] - \frac{1}{2}} \right)p = \left[ {\frac{x}{p}} \right]p}

Αν \displaystyle{x \ne m \cdot p} τότε \displaystyle{\frac{1}{2}\left( {g\left( {{x^ + }} \right) + g\left( {{x^ - }} \right)} \right) = \frac{p}{2} + \left[ {\frac{x}{p}} \right]p} (Μόνον οι τιμές \displaystyle{x = m \cdot p} είναι θέσεις ασυνέχειας της συνάρτησης \displaystyle{g\left( x \right)} )

\displaystyle{I = \frac{p}{{2\pi }}\int\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {\sum\limits_{n =  - \left[ {x/p} \right]}^{\left[ {x/p} \right]} {\frac{{\sin \left( {n + \frac{1}{2}} \right)pt}}{{\sin \frac{1}{2}pt}} \cdot \frac{{\sin xt}}{t}\,} dt}  = \frac{p}{\pi }\int\limits_0^\infty  {\frac{{\sin \left( {\left[ {\frac{x}{p}} \right] + \frac{1}{2}} \right)pt}}{{\sin \frac{1}{2}pt}} \cdot \frac{{\sin xt}}{t}dt}  = \mathop  = \limits^{L:1}  = \frac{p}{\pi }\int\limits_0^\infty  {\left( { - 1 + 2\sum\limits_{n = 0}^{\left[ {x/p} \right]} {\cos npt} } \right) \cdot \frac{{\sin xt}}{t}dt}  = }

\displaystyle{ =  - \frac{p}{\pi }\int\limits_0^\infty  {\frac{{\sin xt}}{t}dt}  + \frac{{2p}}{\pi }\sum\limits_{n = 0}^{\left[ {x/p} \right]} {\int\limits_0^\infty  {\cos npt \cdot \frac{{\sin xt}}{t}dt} }  = \mathop  = \limits^{L:2}  =  - \frac{p}{\pi } \cdot \frac{\pi }{2} + \frac{{2p}}{\pi }\sum\limits_{n = 0}^{\left[ {x/p} \right]} {\int\limits_0^\infty  {\cos npt \cdot \frac{{\sin xt}}{t}dt} }  = \mathop  = \limits^{xt = y}  = }

\displaystyle{ =  - \frac{p}{2} + \frac{{2p}}{\pi }\sum\limits_{n = 0}^{\left[ {x/p} \right]} {\int\limits_0^\infty  {\cos \frac{{np}}{x}y \cdot \frac{{\sin y}}{y}dy} }  =  - \frac{p}{2} + \frac{{2p}}{\pi }\sum\limits_{n = 0}^{\left[ {x/p} \right] - 1} {\int\limits_0^\infty  {\cos \frac{{np}}{x}y \cdot \frac{{\sin y}}{y}dy} }  + \frac{{2p}}{\pi }\int\limits_0^\infty  {\cos \left[ {\frac{x}{p}} \right]\frac{p}{x}y \cdot \frac{{\sin y}}{y}dy}  = \mathop  = \limits^{L:3}  = }

\displaystyle{ =  - \frac{p}{2} + \frac{{2p}}{\pi }\left[ {\frac{x}{p}} \right]\frac{\pi }{2} + \frac{{2p}}{\pi }\int\limits_0^\infty  {\cos \left[ {\frac{x}{p}} \right]\frac{p}{x}y \cdot \frac{{\sin y}}{y}dy}  =  - \frac{p}{2} + p\left[ {\frac{x}{p}} \right] + \frac{{2p}}{\pi }\int\limits_0^\infty  {\cos \left[ {\frac{x}{p}} \right]\frac{p}{x}y \cdot \frac{{\sin y}}{y}dy} }

Αν \displaystyle{x \ne m \cdot p} τότε \displaystyle{\left[ {\frac{x}{p}} \right]\frac{p}{x} < 1} , οπότε \displaystyle{I =  - \frac{p}{2} + p\left[ {\frac{x}{p}} \right] + \frac{{2p}}{\pi } \cdot \frac{\pi }{2} = p\left[ {\frac{x}{p}} \right] + \frac{p}{2} = \frac{1}{2}\left( {g\left( {{x^ + }} \right) + g\left( {{x^ - }} \right)} \right)}

Αν \displaystyle{x = m \cdot p} τότε \displaystyle{\left[ {\frac{x}{p}} \right]\frac{p}{x} = 1} , οπότε \displaystyle{I =  - \frac{p}{2} + p\left[ {\frac{x}{p}} \right] + \frac{{2p}}{\pi } \cdot \frac{\pi }{4} = p\left[ {\frac{x}{p}} \right] = \frac{1}{2}\left( {g\left( {{x^ + }} \right) + g\left( {{x^ - }} \right)} \right)}
Τελικά για \displaystyle{x \geqslant 0} ισχύει \displaystyle{\frac{p}{{2\pi }}\int\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {\sum\limits_{n =  - \left[ {x/p} \right]}^{\left[ {x/p} \right]} {\frac{{\sin \left( {n + \frac{1}{2}} \right)pt}}{{\sin \frac{1}{2}pt}} \cdot \frac{{\sin xt}}{t}\,} dt}  = \frac{1}{2}\left( {g\left( {{x^ + }} \right) + g\left( {{x^ - }} \right)} \right)} (Για \displaystyle{x = 0} η ισότητα ισχύει με τετριμμένο τρόπο)

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Λήμμα 1 \displaystyle{L:1\quad \frac{{\sin \left( {N + \frac{1}{2}} \right)x}}{{\sin \frac{1}{2}x}} =  - 1 + 2\sum\limits_{n = 0}^N {\cos nx} } διότι

\displaystyle{\sum\limits_{n = 0}^N {\cos nx}  = \frac{1}{2}\sum\limits_{n = 0}^N {\left( {{e^{inx}} + {e^{ - inx}}} \right)}  = \frac{1}{2}\left( {\sum\limits_{n = 0}^N {{e^{inx}}}  + \sum\limits_{n = 0}^N {{e^{ - inx}}} } \right) = \frac{1}{2}\left( {\frac{{1 - {e^{i\left( {N + 1} \right)x}}}}{{1 - {e^{ix}}}} + \frac{{1 - {e^{ - i\left( {N + 1} \right)x}}}}{{1 - {e^{ - ix}}}}} \right) = }

\displaystyle{ = \frac{1}{2} \cdot \frac{{\left( {1 - {e^{i\left( {N + 1} \right)x}}} \right)\left( {1 - {e^{ - ix}}} \right) + \left( {1 - {e^{ - i\left( {N + 1} \right)x}}} \right)\left( {1 - {e^{ix}}} \right)}}{{\left( {1 - {e^{ix}}} \right)\left( {1 - {e^{ - ix}}} \right)}} = \frac{1}{2} \cdot \frac{{2 - 2\cos x - 2\cos \left( {N + 1} \right)x +  + 2\cos Nx}}{{2 - 2\cos x}}}

\displaystyle{ = \frac{1}{2}\left( {1 + \frac{{2\sin \left( {N + \frac{1}{2}} \right)x \cdot \sin \frac{1}{2}x}}{{2{{\sin }^2}\frac{1}{2}x}}} \right) = \frac{1}{2}\left( {1 + \frac{{\sin \left( {N + \frac{1}{2}} \right)x}}{{\sin \frac{1}{2}x}}} \right) \Rightarrow \frac{{\sin \left( {N + \frac{1}{2}} \right)x}}{{\sin \frac{1}{2}x}} =  - 1 + 2\sum\limits_{n = 0}^N {\cos nx} }

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Λήμμα 2 \displaystyle{L:2\quad } Για \displaystyle{x > 0} τότε \displaystyle{\int\limits_0^\infty  {\frac{{\sin xt}}{t}dt}  = \frac{\pi }{2}} διότι \displaystyle{\int\limits_0^\infty  {\frac{{\sin xt}}{t}dt}  = \mathop  = \limits^{xt = y}  = \int\limits_0^\infty  {\frac{{\sin y}}{y}dy}  = \frac{\pi }{2}} (θεωρείται γνωστό)

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Λήμμα 3 \displaystyle{L:3\quad \int\limits_0^\infty  {\frac{{\cos at \cdot \sin t}}{t}dt}  = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} 
   {0\;,\;\left| a \right| > 1}  \\  
   {\frac{\pi }{2}\;,\;\left| a \right| < 1}  \\  
   {\frac{\pi }{4}\;,\;\left| a \right| = 1}  \\  
\end{array} } \right\}} διότι

\displaystyle{\int\limits_0^\infty  {\frac{{\cos at \cdot \sin t}}{t}dt}  = \int\limits_0^\infty  {\frac{{\cos \left| a \right|t \cdot \sin t}}{t}dt}  = \frac{1}{2}\int\limits_0^\infty  {\frac{{\sin \left( {1 + \left| a \right|} \right)t + \sin \left( {1 - \left| a \right|} \right)t}}{t}dt}  = \frac{1}{2}\left( {\int\limits_0^\infty  {\frac{{\sin \left( {1 + \left| a \right|} \right)t}}{t}dt}  + \int\limits_0^\infty  {\frac{{\sin \left( {1 - \left| a \right|} \right)t}}{t}dt} } \right) = }

\displaystyle{ = \frac{\pi }{4} + \frac{1}{2}\int\limits_0^\infty  {\frac{{\sin \left( {1 - \left| a \right|} \right)t}}{t}dt}  = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} 
   {0\;,\;\left| a \right| > 1}  \\  
   {\frac{\pi }{2}\;,\;\left| a \right| < 1}  \\  
   {\frac{\pi }{4}\;,\;\left| a \right| = 1}  \\  
\end{array} } \right\}}


Σεραφείμ Τσιπέλης
Απάντηση

Επιστροφή στο “ΑΝΑΛΥΣΗ”

Μέλη σε σύνδεση

Μέλη σε αυτήν τη Δ. Συζήτηση: Δεν υπάρχουν εγγεγραμμένα μέλη και 0 επισκέπτες