9 votos

Evaluar $\int_{-\pi}^\pi \big|\sum^\infty_{n=1} \frac{1}{2^n} e^{inx}\big|^2 \operatorname d\!x$

Estoy tratando de resolver los ejercicios para el próximo examen, y yo estoy atrapado en este ejercicio:

Evaluar $$\int_{-\pi}^\pi \Big|\sum^\infty_{n=1} \frac{1}{2^n} \mathrm{e}^{inx}\,\Big|^2 \operatorname d\!x$$

Una página antes de que se intoduced la Parseval's identity, así que supongo que está relacionado con él.

He intentado solucionarlo, pero whan cada vez que intento es malo.

Puede usted por favor darme algunos consejos? Gracias!

8voto

fianchetto Puntos 186

\begin{align} \int_{-\pi}^\pi \Big|\sum^\infty_{n=1} \frac{1}{2^n} \mathrm{e}^{inx}\Big|^{\,2} \operatorname d\!x &= \int_{-\pi}^\pi \sum^\infty_{n=1} \frac{1}{2^n} \mathrm{e}^{inx} \overline{\sum^\infty_{m=1} \frac{1}{2^m} \mathrm{e}^{imx}} \operatorname d\!x= \sum_{m,n=1}^\infty \int_{-\pi}^\pi\frac{1}{2^{m+n}} \mathrm{e}^{i(m-n)x}\,dx \\ &=\sum_{n=1}^\infty\frac{2\pi}{2^{2n}}=\frac{\frac{2\pi}{4}}{1-\frac{1}{4}}=\frac{2\pi}{3}, \end{align} desde $$ \int_{-\pi}^\pi\frac{1}{2^{m+n}} \mathrm{e}^{i(m-n)x}\,dx=\frac{2\pi}{2^{m+n}}\,\delta_{m,n}. $$

4voto

Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\+}{^{\daga}}% \newcommand{\ángulos}[1]{\left\langle #1 \right\rangle}% \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace #1 \right\rbrace}% \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack #1 \right\rbrack}% \newcommand{\ceil}[1]{\,\left\lceil #1 \right\rceil\,}% \newcommand{\dd}{{\rm d}}% \newcommand{\down}{\downarrow}% \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}}% \newcommand{\equalby}[1]{{#1 \cima {= \cima \vphantom{\enorme}}}}% \newcommand{\expo}[1]{\,{\rm e}^{#1}\,}% \newcommand{\fermi}{\,{\rm f}}% \newcommand{\piso}[1]{\,\left\lfloor #1 \right\rfloor\,}% \newcommand{\mitad}{{1 \over 2}}% \newcommand{\ic}{{\rm i}}% \newcommand{\iff}{\Longleftrightarrow} \newcommand{\imp}{\Longrightarrow}% \newcommand{\isdiv}{\,\left.\a la derecha\vert\,}% \newcommand{\cy}[1]{\left\vert #1\right\rangle}% \newcommand{\ol}[1]{\overline{#1}}% \newcommand{\pars}[1]{\left( #1 \right)}% \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\pp}{{\cal P}}% \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\,#2\,}\,}% \newcommand{\sech}{\,{\rm sech}}% \newcommand{\sgn}{\,{\rm sgn}}% \newcommand{\totald}[3][]{\frac{{\rm d}^{#1} #2}{{\rm d} #3^{#1}}} \newcommand{\ul}[1]{\underline{#1}}% \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\, nº 1 \,\right\vert}$ \begin{align} &\color{#00f}{\large\int_{-\pi}^{\pi}\verts{\sum^{\infty}_{n=1}{1 \over 2^{n}}\,\expo{inx}}^{2}\,\dd x} =\int_{-\pi}^{\pi}\verts{\expo{\ic x}/2 \over 1 - \expo{\ic x}/2}^{2}\,\dd x =\int_{-\pi}^{\pi}{\dd x \over \bracks{2 - \cos\pars{x}}^{2} + \sin^{2}\pars{x}} \\[3mm]&=2\int_{0}^{\pi}{\dd x \over 5 - 4\cos\pars{x}} =2\int_{0}^{\infty}{1 \over 5 - 4\pars{1 - t^{2}}/\pars{1 + t^{2}}}\,{2\,\dd t \over 1 + t^{2}} =4\int_{0}^{\infty}{1 \over 9t^{2} + 1}\,\dd t \\[3mm]&={4 \over 3}\int_{0}^{\infty}{1 \over t^{2} + 1}\,\dd t= {4 \over 3}\lim_{t \to \infty}\arctan\pars{t} = {4 \over 3}\,{\pi \over 2} =\color{#00f}{\large{2 \over 3}\,\pi} \end{align}

4voto

Argon Puntos 12328

Sugerencia:

$$\sum^\infty_{n=1} 2^{-n} e^{inx} = \frac{e^{ix}/2}{1-e^{ix}/2}$$

Después elevarlo al cuadrado y simplificando, el contorno de la integración en torno a $|z|=1$ debe hacer el truco.

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