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La integral de la función periódica sobre la longitud del período es la misma en todas partes

Estoy atascado en una pregunta que implica la intergral de una función periódica. La pregunta está formulada de la siguiente manera:

Definición. Una función es periódico con el período $a$ si $f(x)=f(x+a)$ para todos $x$ .

Pregunta. Si $f$ es continua y periódica con periodo $a$ entonces demuestre que $$\int_{0}^{a}f(t)dt=\int_{b}^{b+a}f(t)dt$$ para todos $b\in \mathbb{R}$ .

Entiendo la igualdad, pero me cuesta demostrar que es cierta para todos $b$ . He intentado escribirlo de diferentes formas como $F(a)=F(b+a)-F(b)$ . Esto me llevó a lo siguiente, aunque no estoy seguro de cómo esto demuestra que la igualdad es verdadera para todos $b$ ,

$$\int_{0}^{a}f(t)dt-\int_{b}^{b+a}f(t)dt=0$$ $$=F(a)-F(0)-F(b+a)-F(b)$$ $$=(F(b+a)-F(a))-F(b)$$ $$=\int_{a}^{b+a}f(t)dt-\int_{0}^{b+a}f(t)dt=0$$

Así que, esto me deja con

$$\int_{a}^{b+a}f(t)dt-\int_{0}^{b+a}f(t)dt=\int_{0}^{a}f(t)dt-\int_{b}^{b+a}f(t)dt$$

Siento que estoy cerca, y me he hecho un diagrama de una función senoidal para visualizar lo que podría describir cada una de las integrales anteriores, pero el poder explicar la igualdad anterior se me escapa.

65voto

Oli Puntos 89

Dejemos que $H(x)=\int_x^{x+a}f(t)\,dt$ . Entonces $$\frac{dH}{dx}=f(x+a)-f(x)=0.$$ De ello se desprende que $H(x)$ es constante. En particular, $H(b)=H(0)$ .

17voto

codemac Puntos 689

Tenemos $$ \int_{0}^{a}f(t)\ dt+\int_{a}^{a+b}f(x)\ dx=\int_{0}^{b}f(y)\ dy+\int_{b}^{a+b}f(t)\ dt, $$ y el ajuste $x=y-a$ convierte la segunda integral en la tercera.

9voto

Has dado varios pasos en falso en tu bloque de cuatro líneas y deberías haber terminado con $$\int_{a}^{b+a}f(t)dt-\int_{0}^{b}f(t)dt=0$$ pero esto no te hace avanzar mucho más.

En cambio, observe que en algún lugar del intervalo $[b, b+a]$ es un múltiplo entero de $a$ , digamos que $na$ . A continuación, utilizando $f(t)=f(t+a)=f(t+na)$ : $$\int_{b}^{b+a}f(t)dt = \int_{b}^{na}f(t)dt+\int_{na}^{b+a}f(t)dt = \int_{b+a}^{(n+1)a}f(t)dt+\int_{an}^{b+a}f(t)dt = \int_{na}^{(n+1)a}f(t)dt = \int_{0}^{a}f(t)dt.$$

9voto

Guy Fabrice Puntos 21

$$\begin{align} \int_{b}^{a+b}f(x)\ dx&= \int_{a}^{a+b}f(x)\ dx +\int_{b}^{a}f(x)\ dx\\&\overset{y=x-a}{=} \color{red}{\int_{0}^{a}f(y+a)\ dx} +\int_{b}^{a}f(x)\ dx\\&\overset{periodic}{=} \color{red}{\int_{0}^{b}f(y)\ dx} +\int_{b}^{a}f(x)\ dx\\&=\int_0^af(x)\ dx. \end{align}$$

8voto

Did Puntos 1

No es necesaria ninguna diferenciación:

Elige el único número entero $n$ tal que $b\leqslant na\lt b+a$ descomponiendo la integral de $f(t)$ en $t$ de $b$ a $b+a$ en la suma de las integrales de $b$ a $na$ y de $na$ a $b+a$ , aplicar los cambios de la variable $t=x+(n-1)a$ en el primero y $t=x+na$ en este último, entonces la periodicidad de $f$ implica que $f(x)=f(t)$ por lo que el resultado es la suma de las integrales de $f(x)$ en $x$ de $b-(n-1)a$ a $a$ y de $0$ a $b-(n-1)a$ ...

¡...Et voilà !

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