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Una curiosa coincidencia: $\prod\limits_{k=1}^\infty\left(1+\int_{k}^{k+1}\left(\frac{\sin (\pi x)}{x}\right)^2\mathrm dx\right)\overset{?}{=}\pi/2$

Se sabe que $\int_0^\infty \frac{\sin x}{x} \mathrm dx=\dfrac{\pi}{2}$ (prueba) y $\int_0^\infty\left(\frac{\sin x}{x}\right)^2\mathrm dx=\dfrac{\pi}{2}$ (prueba).

Investigación numérica sugiere que también tenemos:

$$\prod\limits_{k=1}^\infty\left(1+\int_{k}^{k+1}\left(\frac{\sin (\pi x)}{x}\right)^2\mathrm dx\right)=\dfrac{\pi}{2}$$

Pero no sé cómo probar esto. $\int\left(\frac{\sin (\pi x)}{x}\right)^2\mathrm dx$ no puede expresarse en términos de funciones elementales.

¿Realmente es este producto infinito igual a $\dfrac{\pi}{2}$?

12voto

Benjamin Puntos 101

La respuesta es no, el producto no alcanza $\pi/2$ en el límite. Lo demostramos con técnicas de comparación, dada la resultado numérico para $k=100000$.

Para cada $k$ podemos rendir por comparación:

$\int_k^{k+1}\left(\dfrac{\sin(\pi x)}{x}\right)^2 dx<\int_k^{k+1}\left(\dfrac{\sin(\pi x)}{k}\right)^2 dx=\dfrac{1}{2k^2}$

Así

$\ln\left(1+\int_k^{k+1}\left(\dfrac{\sin(\pi x)}{x}\right)^2 dx\right)<\dfrac{1}{2k^2}.$

Sumando esto desde $k=k_0$ hasta $k=\infty$ debe dar menos que $1/(k_0-1)$, por lo tanto para $k_0=100001$ esta suma es menos que $1.000005$. Con el resultado numérico para $k<100000$ estamos forzados a aceptar

$\prod_{k=1}^\infty\left(1+\int_k^{k+1}\left(\dfrac{\sin(\pi x)}{x}\right)^2 dx\right)<\dfrac{\pi}2(1-0.00008)\exp(0.000005)$

y el recíproco de $1-0.00008$ debe ser mayor que $\exp(0.00008)$.

La última parte de esta comparación es bastante laxa (esencialmente comparando dos números que difieren por un factor de $16$); un límite más estricto indicaría que de hecho la relación límite no puede estar muy lejos de $0.99992$. Lo cual es lo que encontraste a partir del resultado numérico adicional.

7voto

Dan Puntos 46

(Auto-respuesta)

Suponiendo que Desmos es confiable, ahora creo que el producto en la publicación original es aproximadamente $0.99992076\times\dfrac{\pi}{2}$, por lo que la conjetura es falsa.

Por qué creo que la conjetura es falsa

Dejando $f(n)=\color{red}{\dfrac{2}{\pi}}\prod\limits_{k=1}^n\left(1+\int_{k}^{k+1}\left(\frac{\sin (\pi x)}{x}\right)^2\mathrm dx\right)$, encontré que:

$\dfrac{f\left(10^N\right)}{f\left(10^{N-1}\right)}\approx 1+4.5\times10^{-N}$ para $N=3,4,5,6,7,8$

$f(10^8)\approx 0.999920757989$ (encontrado en Desmos; puede tardar en cargar)

Esto sugiere que $\lim\limits_{n\to\infty}f(n)\approx 0.99992076$, por lo que el producto en la publicación original es aproximadamente $0.99992076\times\dfrac{\pi}{2}$.

Teniendo en cuenta que, como menciona la publicación original, $\int_0^\infty \frac{\sin x}{x} \mathrm dx=\dfrac{\pi}{2}$ y $\int_0^\infty\left(\frac{\sin x}{x}\right)^2\mathrm dx=\dfrac{\pi}{2}$, es de hecho una curiosa coincidencia que el producto en la publicación original esté tan cerca de $\dfrac{\pi}{2}$.

Aún me pregunto si el producto en la publicación original tiene una expresión en forma cerrada.

La mayoría de los números pequeños están cerca de expresiones simples con $\pi$ o $e$

Elige un número real pequeño al azar, digamos entre $1$ y $2$. Afróntalo a decir cuatro decimales, y escríbelo en Wolfram. Es probable que Wolfram sugiera una forma cerrada simple que involucre $\pi$ o $e$. Por ejemplo, intenté con $1.2345$, y Wolfram sugirió $\log (2e-2)$. Descubrimos que $\dfrac{1.2345}{\log (2e-2)}\approx 1.00002$.

Otros hallazgos curiosos sobre $p(x)=\frac{\sin (\pi x)}{x}$

  • $\prod\limits_{k=1}^{\color{red}{10000}}\left(1+2\int_{k}^{k+1}p(x)^2\mathrm dx\right)\approx0.99992\left(1+\frac{e}{2}\right)$ pero $\prod\limits_{k=1}^{\color{red}{100000}}\left(1+2\int_{k}^{k+1}p(x)^2\mathrm dx\right)\approx1.000005\left(1+\frac{e}{2}\right)$
  • $\prod\limits_{k=1}^{\color{red}{100000}}\left(1+\frac{\pi}{2}\int_k^{k+1}\frac{|p(x)|}{x}\mathrm dx\right)\approx0.9999995\left(\frac{\sqrt{e}}{\ln 2}\right)$, pero $\prod\limits_{k=1}^{\color{red}{1000000}}\left(1+\frac{\pi}{2}\int_k^{k+1}\frac{|p(x)|}{x}\mathrm dx\right)\approx1.00001\left(\frac{\sqrt{e}}{\ln 2}\right)$
  • Tenemos $\int_0^\infty p(x)^2\mathrm dx=\frac{\pi^2}{2}$, y el producto de las longitudes de arco entre raíces positivas vecinas de $p(x)$ es $\prod\limits_{k=1}^\infty \int_k^{k+1}\sqrt{1+(p'(x))^2}\mathrm dx\approx 0.9985\left(\frac{\pi^2}{2}\right)$.

Impostores matemáticos

La publicación original no es la primera vez que encuentro un "impostor matemático". Aquí hay otro.

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