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Si$f(x)=\int_{x-1}^x f(s)ds$, ¿es$f$ constante? ¿Periódico?

Yo estaba pensando de funciones periódicas, y, en particular, la siguiente condición:

Si una función $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ "siempre tiende a su medio", entonces debe ser periódico.

Para hacer las cosas más formal, por "tiende a la media" nos podría decir algo como $f(x)=\int_{x-1}^x f(s)ds$. Este es sólo el promedio de la función en un anterior intervalo de tiempo de longitud $1$, pero me parece lo suficientemente interesante como propiedad. Sin embargo, el único tipo de funciones que he podido encontrar que satisface esta propiedad son la constante!

Pregunta: Si $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ es continua (o más en general medibles) y $f(x)=\int_{x-1}^x f(s)ds$ para (casi) todos los $x\in\mathbb{R}$, entonces es $f$ constante (un.e.)? Periódico (un.e.)?

Aquí es un primer intento para $C^1$ funciones (véase la edición de abajo!): Si $f$ es $C^1$ e $x$ es fijo, se puede utilizar la expansión de Taylor $f(s)=f(x)+O(s-x)$ (y lo mismo para $x-1$) para obtener \begin{align*} f(x+t)-f(x)&=\int_x^{x+t}f(s)ds-\int_{x-1}^{x-1+t}f(s)ds\\ &=\int_x^{x+t}f(x)+O(s-x)ds-\int_{x-1}^{x-1+t}f(x-1)+O(s-x+1)ds\\ &=t(f(x)-f(x-1))+O(t^2), \end{align*} por lo $f'(x)=f(x)-f(x-1)$. Esto es obviamente cierto si $f$ es constante, pero el recíproco no es claro para mí en este momento.


Edit: a partir De un comentario y respuesta a continuación, la ecuación de $f'(x)=f(x)-f(x-1)$ tiene no periódicas soluciones en $\mathbb{R}\setminus\mathbb{Z}$, por lo que este no debe ser el camino a seguir para $C^1$ funciones. Sin embargo, incluso en este caso, no está claro que cualquier solución de esta ecuación va a satisfacer $f(x)=\int_{x-1}^x f(s)ds$, que es la pregunta: Todo lo que puedo obtener, en principio, es $f(x)-f(x-1)=\int_x^{x-1}f(s)ds-\int_{x-2}^{x-1}f(s)ds$.

8voto

psychotik Puntos 171

Aquí es un argumento típico usando la ecuación característica:

Deje $\alpha \in \mathbb{C}\setminus\{0\}$ resolver la ecuación de $\alpha = 1-e^{-\alpha}$. Se puede probar que existe una solución. Una de estas soluciones es numéricamente dado por $-2.08884 + 7.46149 i$. Entonces

$$ \int_{x-1}^{x} e^{\alpha t} \, \mathrm{d}t = \frac{1 - e^{-\alpha}}{\alpha} e^{\alpha x} = e^{\alpha x}, $$

por lo tanto $f(x) = e^{\alpha x}$ es uno (de valores complejos) solución de la ecuación

$$ f(x) = \int_{x-1}^{x} f(t) \, \mathrm{d}t \tag{*}$$

Si uno está interesado en el valor real de las soluciones sólo, entonces se puede considerar que tanto la parte real y la parte imaginaria de $e^{\alpha x}$. En particular, esto indica que existe una solución analítica de $\text{(*)}$ , que no es ni constante ni tener real del periodo.


Adenda. Podemos demostrar el siguiente afirmación:

La reclamación. Existe un no-cero de la solución de $\alpha = 1 - e^{-\alpha}$ en $\mathbb{C}$.

Prueba. Primero nos tenga en cuenta que $\varphi(x) = x(1+\log x)$ satisface $\varphi(0^+) = 0$ e $\varphi(1) = 1$. A continuación, vamos a $k$ ser un entero positivo. Entonces

  1. Existe $y \in (2k\pi, (2k+\frac{1}{2})\pi)$ tal que $ \varphi(\sin(y)/y) = \cos (y) $, por el intermedio-teorema del valor.

  2. Set $x = \log(\sin(y)/y)$.

Pretendemos que $ \alpha = x + iy $ resuelve la ecuación. En efecto, es claro que $ e^{-x}\sin y = y $ sostiene. Por otra parte,

$$ (1-x)e^x = \varphi(\sin(y)/y) = \cos(y), $$

y así, $1 - x = e^{-x}\cos(y)$. La combinación en conjunto,

$$ 1 - \alpha = 1 - x - iy = e^{-x}\cos(y) - ie^{-x}\sin(y) = e^{-x-iy} = e^{-\alpha}. $$

Por lo tanto, la afirmación de la siguiente manera. ////

(Una cuidadosa inespection muestra que esta construcción se produce en todas las soluciones de $\alpha = 1 - e^{-\alpha}$ en la mitad superior-avión).

2voto

freethinker Puntos 283

Defina $f(x)=3x^2-4x+1$ para $x\in(0,1)$ para que la ecuación diferencial sea verdadera para $x=1$ .
Para $x\in(1,2)$ , resuelva la ecuación diferencial $$\frac{df}{dx}=f(x)-(3(x-1)^2-4(x-1)+1)$ $ Iterate el procedimiento, para $x\in (2,3)$ y así sucesivamente.

1voto

hypernova Puntos 171

Esta es una respuesta parcial donde me proporcionó algunas propiedades de $f$ que cumple con $$ f(x)=\int_{x-1}^xf(s)\,{\rm d}s $$ para todos los $x\in\mathbb{R}$. Voy a actualizar este hilo como puedo hacer ningún progreso.

1. $f\in C^{\infty}(\mathbb{R})$ si $f\in L_{\rm loc}^1(\mathbb{R})$ ($f$ debe ser suave si es localmente integrable).

Prueba. $\forall\,x_0\in\mathbb{R}$, $\forall\,x\ge x_0+1$, tenemos $$ f(x)=\int_{x_0}^xf(s)\,{\rm d s}-\int_{x_0}^{x-1}f(s)\,{\rm d s}. $$ Desde $f\in L_{\rm loc}^1(\mathbb{R})$, se deduce que $$ \int_{x_0}^xf(s)\,{\rm d s}\quad\text{y}\quad\int_{x_0}^{x-1}f(s)\,{\rm d}s $$ son absolutamente continuas. Por lo tanto $f$ es absolutamente continua en $\left(x_0+1,\infty\right)$. La arbitrariedad de $x_0$ implica que $f$ es absolutamente continua en $\mathbb{R}$. Por lo tanto, necesariamente, $f\in C(\mathbb{R})$.

Asimismo, a partir de $f\in C(\mathbb{R})$, se deduce que $$ \int_{x_0}^xf(s)\,{\rm d s}\quad\text{y}\quad\int_{x_0}^{x-1}f(s)\,{\rm d}s $$ son continuamente diferenciables, lo que conduce a $f\in C^1(\mathbb{R})$.

Repita el procedimiento anterior para el razonamiento inductivo, y eventualmente obtener $f\in C^{\infty}(\mathbb{R})$.$\#$

Esta conclusión sugiere que, al menos para un caso más general, sólo consideraremos los $f$'s que son suaves en $\mathbb{R}$.

2. $f=0$ si $f\in L^1(\mathbb{R})$ ($f$ debe ser cero si es integrable en a$\mathbb{R}$).

Prueba. Desde $f\in L^1(\mathbb{R})$, es obvio que $$ \int_{x-1}^xf(s)\,{\rm d s}=\int_{\mathbb{R}}1_{\left[0,1\right]}(x-s)f(s)\,{\rm d s}=\left(1_{\left[0,1\right]}*f\right)(x). $$ Por lo tanto, la relación original es equivalente a la siguiente ecuación de convolución en $\mathbb{R}$: $$ f=1_{\left[0,1\right]}*f. $$

Tenga en cuenta que $f\in L^1(\mathbb{R})$, y su transformada de Fourier $\hat{f}$ está bien definido. Por el teorema de convolución, $$ \hat{f}=\widehat{1_{\left[0,1\right]}}\,\hat{f}\Longrightarrow\left(1-\widehat{1_{\left[0,1\right]}}\right)\hat{f}=0. $$ Esto implica que $\hat{f}=\hat{f}(\xi)=0$ para todos los $\xi\ne 0$. Además, la continuidad de $\hat{f}$ rendimientos $\hat{f}(0)=0$. En consecuencia, hemos $$ \hat{f}=0\ffi f=0.\# $$

Esta conclusión sugiere que no trivial solución a la ecuación original tiene que ser no-integrable en $\mathbb{R}$, por ejemplo, que no sea cero constantes. Sin embargo, dado que es razonable suponer $f$ a ser localmente integrable, la ecuación original siempre puede ser formulado en el anterior formulario de $f=1_{\left[0,1\right]}*f$. Sólo tenga en cuenta que $\hat{f}$ no está definida y el teorema de convolución no es aplicable si $f$ es localmente integrable, pero no integrable en $\mathbb{R}$.

3. $f\equiv\text{const}$ si $f\in L_{\rm loc}^1(\mathbb{R})\cap C_T(\mathbb{R})$ ($f$ debe ser constante si es localmente integrable y $T$-periódico).

Prueba. Desde $f\in L_{\rm loc}^1(\mathbb{R})$, tenemos $f\in C^{\infty}(\left[0,T\right])$. Gracias a la periodicidad, $f$ se observa su serie de Fourier en $\left[0,T\right]$ $$ f(x)\sim\sum_{n\in\mathbb{Z}}a_n\,e^{\frac{2\pi nx}{T}}. $$

Desde $f\in C^{\infty}(\left[0,T\right])$, la serie de Fourier de $f$ converge absoluta y uniformemente a $f$. Por lo tanto, tenemos por un lado, $$ f(x)=\sum_{n\in\mathbb{Z}}a_n\,e^{\frac{2\pi nx}{T}}. $$ Por otro, \begin{align} \int_{x-1}^xf(s)\,{\rm d}s&=\int_{x-1}^x\sum_{n\in\mathbb{Z}}a_n\,e^{\frac{2i\pi ns}{T}}{\rm d}s\\ &=\sum_{n\in\mathbb{Z}}a_n\int_{x-1}^xe^{\frac{2i\pi ns}{T}}{\rm d}s\\ &=\sum_{n\in\mathbb{Z}}a_n\frac{1-e^{-\theta_n}}{\theta_n}e^{\frac{2i\pi nx}{T}}, \end{align} donde $\theta_n=2i\pi n/T$, e $\left(1-e^{-\theta_0}\right)/\theta_0=1$ (esto se define de modo que la forma de la serie conserva; de lo contrario, uno puede llevar a cabo la integración por separado para $n=0$ e $n\ne 0$, y pueden encontrar que los resultados idénticos).

Gracias a este resultado, la ecuación original requiere $$ a_n=a_n\frac{1-e^{-\theta_n}}{\theta_n}\ffi\left(1-\frac{1-e^{-\theta_n}}{\theta_n}\right)a_n=0. $$ Tenga en cuenta que $$ 1-\frac{1-e^{-z}}{z}=0 $$ los rendimientos de sólo una solución en $i\mathbb{R}$ (el eje imaginario), es decir, $z=0$. Por lo tanto desde $\theta_n\ne 0$ para todos los $n\ne 0$, es una necesidad que $a_n=0$ para todos los $n\ne 0$. Esto conduce a $f(x)=a_0$, es decir, $f$ es constante en $\mathbb{R}$.$\#$

Esta conclusión sugiere que cualquier función periódica continua que satisface la ecuación original debe ser constante.

[TBC...]

[Seguir a @Empy2 la respuesta, creo que la existencia de algún periódico de la solución a la ecuación original. Sin embargo, según las propiedades anteriormente mencionadas, esta solución tiene que ser suave y lo más probable es ilimitado. Tratando el polinomio de la serie $f(x)=\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ podría ser prometedor, pero conduce a un infinito dimensional lineal del sistema, y su convergencia también sigue siendo desconocido, que se opone a la conmutatividad de la suma y de la integración...]

-1voto

Yuri Negometyanov Puntos 593

Deje que $$f(x) = \dfrac{a_0}2+\sum\limits_{n=1}^\infty\left(a_n\cos2\pi nx + a_n\sin2\pi nx\right),$ $ luego $$\int\limits_{x-1}^x f(x)\,\mathrm dx = \dfrac {a_0}2,$ $ para que $f(x)$ sea una constante.

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