¿El límite de $\lim _{x\to 0} \frac 1x \int_0^x \left|\cos \frac 1t \right| dt$ existe?

Question

¿El límite de $\lim _{x\to 0} \frac 1x \int_0^x \left|\cos \frac 1t \right| dt$ existe ? Si lo hace, entonces ¿cuál es el valor ?

Yo no creo que ni siquiera L'Hospital de la norma puede ser aplicada . Por favor, ayudar . Gracias de antemano

Answer 1

$$\begin{align} \lim_{x\to0}\frac1x\int_0^x\left|\,\cos\left(\frac1t\right)\,\right|\mathrm{d}t &=\lim_{x\to\infty}x\int_x^\infty\frac{|\cos(t)|}{t^2}\,\mathrm{d}t\\ &=\lim_{n\to\infty}(x+n\pi)\sum_{k=n}^\infty\int_x^{x+\pi}\frac{|\cos(t)|}{(t+k\pi)^2}\,\mathrm{d}t\tag{1} \end{align}$$ El uso de Euler-Maclaurin Fórmula de la Suma, $$\sum_{k=n}^\infty\frac{x+n\pi}{(t+k\pi)^2} =\frac{x+n\pi}{\pi(t+n\pi)}+\frac{x+n\pi}{2(t+n\pi)^2}+O\!\a la izquierda(\frac1{n^2}\right)\etiqueta{2}$$ Así, por $x\le t\le x+\pi$,tenemos $$\sum_{k=n}^\infty\frac{x+n\pi}{(t+k\pi)^2}=\frac1\pi+O\!\a la izquierda(\frac1n\right)\etiqueta{3}$$ y por lo tanto, $$\begin{align} \lim_{x\to0}\frac1x\int_0^x\left|\,\cos\left(\frac1t\right)\,\right|\mathrm{d}t &=\frac1\pi\int_0^\pi|\cos(t)|\,\mathrm{d}t\\ &=\frac2\pi\tag{4} \end{align}$$

Answer 2

Como una alternativa para el poderoso de Euler-Maclaurin asymptotics en @robjohn respuesta uno puede utilizar simples de orden cero aproximaciones y el teorema del sándwich.

1. La estimación de $x+\pi k\le t\le x+\pi(k+1)$ $$\frac{|\cos t|}{(x+\pi(k+1))^2}\le \frac{|\cos t|}{t^2}\le \frac{|\cos t|}{(x+\pi k)^2}$$ y la integración da $$\frac{2}{(x+\pi(k+1))^2}\le\int_{x+\pi k}^{x+\pi(k+1)}\frac{|\cos t|}{t^2}\,dt\le\frac{2}{(x+\pi k)^2}.$$
2. Además de la estimación por los integrales $$\frac{2}{\pi}\int_{x+\pi(k+1)}^{x+\pi(k+2)}\frac{1}{t^2}\,dt\le \frac{2}{(x+\pi(k+1))^2}\le\ldots\le \frac{2}{(x+\pi k)^2}\le \frac{2}{\pi}\int_{x+\pi(k-1)}^{x+\pi k}\frac{1}{t^2}\,dt$$ y resumiendo para $0\le k<+\infty$ da $$\frac{2}{\pi}\int_{x+\pi}^{\infty}\frac{1}{t^2}\,dt\le \int_x^{\infty}\frac{|\cos t|}{t^2}\,dt\le \frac{2}{\pi}\int_{x-\pi}^{\infty}\frac{1}{t^2}\,dt.$$
3. Calcular la integral de las estimaciones y multiplicar por $x$ $$\frac{2}{\pi}\frac{x}{x+\pi}\le x\int_x^{\infty}\frac{|\cos t|}{t^2}\,dt\le \frac{2}{\pi}\frac{x}{x-\pi}.$$ Tomar el límite de $x\to\infty$ y usar el teorema del sándwich.