Límite de una integral (término restante de una expansión de Euler-Maclaurin)

Question

Por cada $x > 0$ , defina $$I(x) = \int_1^\infty \left(\{t\} - \frac{1}{2}\right)\frac{x}{e^{xt}-1}\,dt.$$ donde $\{x\} = x - \lfloor x\rfloor$ denota la parte fraccionaria de $x$ .

Cómo justificar eso $I(x)$ converge a la integral impropia $$ \int_1^\infty \left(\{t\}-\frac{1}{2}\right)\frac{dt}{t} $$ cuando $x \searrow 0$ ?

Por supuesto $\dfrac{x}{e^{tx}-1}$ converge a $\dfrac{1}{t}$ por cada $t$ pero como $$ \int_1^\infty \left|\{t\} - \frac{1}{2}\right|\frac{dt}{t} = \sum_{n=1}^\infty \int_{-1/2}^{1/2} \frac{|u|\,du}{n+\frac{1}{2}+u} \geq \left(\sum_{n=2}^\infty \frac{1}{n}\right)\int_{-1/2}^{1/2}|u|\,du = +\infty, $$ no hay esperanza de aplicar el teorema de Lebesgue.

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Me he dado cuenta de que se trata de algún tipo de Abelian-like resultado. Aquí hay una prueba.

Dejemos que $f(t)=\left(\{t\}-\dfrac{1}{2}\right)\dfrac{1}{t}$ . Es conocido que $F(T) = \int_1^T f(t)\,dt$ converge a $\ell = \dfrac{1}{2}\ln(2\pi)-1$ como $T$ tiende a $+\infty$ . Utilizando la siguiente fórmula de integración por partes:

$$\int_T^\infty f(t)\frac{tx}{e^{tx}-1}\,dt = -(F(T)-\ell)\frac{Tx}{e^{Tx}-1}-\int_T^\infty (F(t)-\ell)\frac{d}{dt}\frac{tx}{e^{tx}-1}\,dt$$ donde $\dfrac{d}{dt}\dfrac{tx}{e^{tx}-1}=\dfrac{xe^{tx}(1-tx-e^{-tx})}{(e^{tx}-1)} \leq 0$ obtenemos $$ \left|\int_T^\infty f(t)\dfrac{tx}{e^{tx}-1}\,dt\right| \leq 2\sup_{t\geq T}|F(t)-\ell|\dfrac{Tx}{e^{Tx}-1}\leq 2 \sup_{t\geq T}|F(t)-\ell|. $$

Por lo tanto, para cada $T > 1$ y $x >0$ , $$ \left|\int_1^\infty f(t)\dfrac{xt}{e^{xt}-1}\,dt - \ell\right| \leq \left|\int_1^T f(t)\left(1-\dfrac{xt}{e^{xt}-1}\right)\,dt\right| + 3\sup_{t\geq T}|F(t)-\ell|. $$ El resultado se deduce fácilmente de esta desigualdad.

Answer 1

Dejemos que $$I_0 = \int_{1}^{\infty} \left(\left\{t\right\} - \dfrac12 \right) \dfrac{dt}{t}$$ Entonces tenemos \begin{align} \vert I(x) - I_0 \vert & = \left \vert \int_{1}^{\infty} \left(\left\{t\right\} - \dfrac12 \right) \left(\dfrac{x}{e^{xt}-1} - \dfrac1t\right) dt\right \vert\\ & = \left \vert \int_{1}^{\infty} \left(\left\{t\right\} - \dfrac12 \right) \left(\dfrac{x}{e^{xt}-1} - \dfrac1t\right) dt\right \vert\\ & = \left \vert \int_{1}^{\infty} \left( \dfrac12 -\left\{t\right\} \right) \left(\dfrac{e^{xt}-1-xt}{t(e^{xt}-1)}\right) dt\right \vert\\ \end{align} Ahora bien, tenga en cuenta que $$\left(\dfrac{e^{xt}-1-xt}{t(e^{xt}-1)}\right) = x\left(\dfrac{e^{xt}-1-xt}{xt(e^{xt}-1)}\right) = x f(xt)$$ donde $f(a) = \dfrac{e^a-1-a}{a(e^a-1)}$ . Tenga en cuenta que $\lim_{a \to 0^+} f(a) =\dfrac12$ , $f(a)$ es una función decreciente y $\lim_{a \to +\infty} f(a) = 0$ $$\int_{n}^{n+1/2} \left(\dfrac12 - \{t\}\right)x f(xt) dt = \int_{n}^{n+1/2} \left(\dfrac12 - t + n\right)x f(xt) dt\\ = x f(xt_{n1}) \int_{n}^{n+1/2} \left(\dfrac12 - t + n\right) dt= \dfrac{x f(xt_{n1})}8$$ donde $t_{n1} \in [n,n+1/2]$ por MVT. $$\int_{n+1/2}^{n+1} \left(\dfrac12 - \{t\}\right)x f(xt) dt = \int_{n+1/2}^{n+1} \left(\dfrac12 - t + n\right)x f(xt) dt\\ = x f(xt_{n2}) \int_{n+1/2}^{n+1} \left(\dfrac12 - t + n\right) dt = -\dfrac{x f(xt_{n2})}8$$ donde $t_{n2} \in [n+1/2,n+1]$ por MVT.

Por lo tanto, $$\int_{1}^{\infty} \left( \dfrac12 -\left\{t\right\} \right) \left(\dfrac{e^{xt}-1-xt}{t(e^{xt}-1)}\right) dt = \dfrac{x}8 \left( f(x_{01}) - f(x_{02}) + f(x_{11}) - f(x_{12}) + f(x_{21}) - f(x_{22}) + \cdots \right)$$ Ahora, utilizando la prueba de la alternancia, ya que $f(a)$ es una función decreciente que converge a $0$ , $$\left( f(x_{01}) - f(x_{02}) + f(x_{11}) - f(x_{12}) + f(x_{21}) - f(x_{22}) + \cdots \right)$$ converge a un número finito, digamos $L$ . Por lo tanto, tenemos $$\int_{1}^{\infty} \left( \dfrac12 -\left\{t\right\} \right) \left(\dfrac{e^{xt}-1-xt}{t(e^{xt}-1)}\right) dt = \dfrac{xL}8$$ Ahora toma el límite como $x \to 0$ para acabar con él.