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hallazgo

Encontrar $$\int\lfloor x\rfloor\cdot |\sin(\pi x)| dx$$

Cualquier ayuda se agradece.

La función es de $\mathbb{R}$ a $\mathbb{R}$, y así debe ser el resultado.

El mejor que he conseguido hasta ahora es:

$$\int\lfloor x\rfloor\cdot |\sin(\pi x)| dx=\frac{k}{\pi}(-1)^{k+1}\cdot \cos(\pi x)+\frac{k^2}{\pi}+C, x\in [k,k+1), k\geq 0, k\in \mathbb{Z}$$

Para $k<0$ es similar, el problema es que soy incapaz de demostrar este resultado.

EDIT: Soluciones sin uso definido de integración por favor, y además, tengo que ser capaz de demostrar que la solución es corregir manualmente.

4voto

Haris Gusic Puntos 6

En cada intervalo de $[2k,2k+1)$, debido a $\sin(\pi x)$ es no negativo, la integral es igual a

$$f(x) = \lfloor x\rfloor\int |\sin(\pi x)| dx = \lfloor x\rfloor\int \sin(\pi x) dx$$

La solución de esta integral, se obtiene

$$f(x) = f_1(x) = -\frac{\lfloor x\rfloor}{\pi}\cos(\pi x) + A(\lfloor x\rfloor)$$

En los intervalos de $[2k-1, 2k)$, tendrá el mismo resultado, sólo que con un signo diferente,

$$f(x) = f_2(x) = \frac{\lfloor x\rfloor}{\pi}\cos(\pi x) + B(\lfloor x\rfloor)$$

Observe que el anterior "constantes" de la integración de las funciones de $\lfloor x\rfloor$. Esto es debido a que se han integrado de forma separada en cada intervalo, y por lo tanto las constantes para cada intervalo de tiempo son diferentes. Para determinar estas constantes, vamos a utilizar el hecho de que $f(x)$ es derivable y por lo tanto continua.

Por la continuidad en los puntos de $x=2k$, tenemos

\begin{eqnarray*} &f_1(2k)=\lim\limits_{x\to2k^-} f_2(x)& \\ &\frac{2k}{\pi}\cos(2k\pi) + A(2k) = \frac{2k-1}{\pi}\cos(2k\pi) + B(2k-1)& \\ &\boxed{B(2k-1) = A(2k) + \frac{1-4k}{\pi}} \tag{1}& \end{eqnarray*}

Por la continuidad en los puntos de $x=2k+1$, tenemos

\begin{eqnarray*} &\lim\limits_{x\to(2k+1)^-} f_1(x) = f_2(2k+1)& \\ &-\frac{2k}{\pi}\cos(2k+1)\pi + A(2k) = \frac{2k+1}{\pi}\cos(2k+1)\pi + B(2k+1)& \\ &\boxed{A(2k) = -\frac{4k+1}{\pi} + B(2k+1)} \tag{2}& \end{eqnarray*}

Siguiente, ya que el integrando es idéntica a cero en $[0,1)$, $f(x)=C$ es constante en este intervalo. Debido a $[0,1)$ es de la forma $[2k,2k+1)$ para $k=0$, esto nos da la $A(0) = C$. En consecuencia, $(2)$ rendimientos $B(1) = \frac{1}{\pi}+C$.

La combinación de $(1)$ e $(2)$ tenemos

\begin{eqnarray*} &B(2k+1) = \frac{8k}{\pi} + B(2k-1) = \frac{8k}{\pi} + \frac{8(k-1)}{\pi} + B(2k-3) = \cdots =& \\ &= \frac{8}{\pi} (k+k-1+...+1) + B(1) = \frac{8}{\pi}\frac{k(k+1)}{2} + \frac{1}{\pi}+C =& \\ &= \frac{1}{\pi}(4k^2+4k+1)+C = \frac{1}{\pi}(2k+1)^2+C& \end{eqnarray*}

Ahora, la aplicación de $(2)$ obtenemos $A(2k) = \dfrac{4k^2}{\pi}+C$. Una forma útil de expresar los últimos dos resultados es

$$B(\lfloor x\rfloor) = \frac{\lfloor x\rfloor^2}{\pi}+C,\ A(\lfloor x\rfloor) = \frac{\lfloor x\rfloor^2}{\pi}+C$$

en sus respectivos dominios.

Por último, al combinar las funciones de $f_1$ e $f_2$ en uno y obtener

$$\boxed{\boxed{f(x) = (-1)^{\lfloor x\rfloor+1}\cdot\frac{\lfloor x\rfloor}{\pi}\cos(\pi x) + \frac{\lfloor x\rfloor^2}{\pi}+C}}$$


Una manera más fácil

En primer lugar, observe que el integrando es una función continua en a$\mathbb R$. Esto nos permite utilizar el teorema Fundamental del cálculo, es decir,

$$f(x)=\int\lfloor x\rfloor\cdot |\sin(\pi x)| dx = \int_0^x\lfloor t\rfloor\cdot |\sin(\pi t)| dx$$

Podemos olvidarnos de la constante de integración por ahora.

Siguiente, para $x\ge 1$, podemos escribir

$$f(x) = \sum_{k=1}^{\lfloor x\rfloor} \int_{k-1}^k \lfloor t\rfloor\cdot |\sin(\pi t)| dt + \int_{\lfloor x\rfloor}^x\lfloor t\rfloor\cdot |\sin(\pi t)|dt$$

Utilice el hecho de que $\lfloor t \rfloor = k-1$ en el intervalo de $[k-1,k)$, y obtendrá $$\int_{k-1}^k \lfloor t\rfloor\cdot |\sin(\pi t)| dt = (k-1)\int_{k-1}^k |\sin(\pi t)| dt$$

Debido a $|\sin(\pi t)|$ es $1-$periódico, la integración intervalo de $[k-1, k]$ puede ser reducido al intervalo de $[0, 1]$, lo que hace que sea fácil de calcular (el resultado es $2/\pi$).

Otra cosa que usted tendrá que utilizar es el hecho de que

$$\int_{\lfloor x\rfloor}^x\lfloor t\rfloor\cdot |\sin(\pi t)|dt = \lfloor x\rfloor \int_{\lfloor x\rfloor}^x |\sin(\pi t)|dt = \lfloor x\rfloor \int_0^{x-\lfloor x\rfloor} \sin(\pi t)dt$$

Para $x<1$, se puede demostrar que el resultado es el mismo. También, usted puede agregar una constante de integración, si quieres.

4voto

Yves Daoust Puntos 30126

En cada unidad de intervalo de $[k,k+1[$, el primer factor es la constante de $k$, mientras que el segundo es positivo el arco de la sinusoide.

Para $k=0$, tenemos

$$\int_0^x\sin(\pi x)\,dx=-\left.\frac{\cos(\pi x)}{\pi}\right|_0^x=\frac{1-\cos(\pi x)}{\pi},$$ which runs from $0$ to $\dfrac2\pi$. For the next intervals, the expression is the same with amplitude multiplied by $k$, and with an additional term $\dfrac{k(k-1)}{\pi}$ para la continuidad (triangular).

Por lo tanto después de la simplificación

$$\lfloor x\rfloor\frac{\lfloor x\rfloor-\cos(\pi\{x\})}{\pi}.$$


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