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Cuantificar cómo pequeñas son el % de integrales $\int_0^N e^{-Nx}\binom{x}{N}dx $, $N\to\infty$

Mientras leía la entrada de Wikipedia para Gregory coeficientes he pensado que debe de ser muy agradable y divertido calcular integrales definidas que implican los coeficientes binomiales.

Este es un ejercicio simple que he pensado después de que hice algunos experimentos con Wolfram Alpha de la calculadora en línea con los códigos como estos:

integrate e^(-35 x) Binomial[x,35] dx, from x=0 to x=35

integrate e^(-200 x) Binomial[x,200] dx, from x=0 to x=200

Creo que el valor absoluto de las integrales es pequeño.

Pregunta. (Se $N\geq 1$ entero) me gustaría saber cómo cuantificar cuán pequeños son estas integrales. No existe $$\lim_{N\to\infty}\int_0^N e^{-Nx}\binom{x}{N}dx?$$ Alternatively, quantify $$ \left| \int_0^N e^{-Nx}\binom{x}{N}dx \right|$$ as $$ N tiende a infinito. Gracias de antemano.

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billythekid Puntos 156

Hizo algunos cálculos y parece que su integral, llamarlo $f(N)$, es aproximadamente el $-(-1)^N/N^3$ $N$ crece. Usted puede ser capaz de obtener la aproximación más exacta.

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psychotik Puntos 171

Aquí es una confirmación de @Somos' computación. Observe que

$$ \binom{x}{N} = \frac{x(x-1)\cdots(x-N+1)}{N!} = \sum_{k=0}^{N} (-1)^{N-k} \frac{1}{N!}\left[ {N \atop k} \right] x^k, $$

donde $\left[ {N \atop k} \right]$ es el unsigned los números de Stirling de primera especie. Conectando la espalda y la informática,

\begin{align*} I_N := \int_{0}^{N} e^{-Nx} \binom{x}{N} \, \mathrm{d}x &= \sum_{k=0}^{N} (-1)^{N-k} \frac{1}{N!}\left[ {N \atop k} \right] \int_{0}^{N} x^k e^{-Nx} \, \mathrm{d}x \\ &= \sum_{k=0}^{N} (-1)^{N-k} \frac{1}{N!}\left[ {N \atop k} \right] \frac{k!}{N^{k+1}}(1 - \epsilon_{N,k}), \end{align*}

donde $\epsilon_{N,k} = \int_{N^2}^{\infty} \frac{x^k}{k!} e^{-x} \, dx $.

La estimación del término de error. Primero nos tenga en cuenta que existe una constante $C_1 > 0$ satisfactorio

$$ \epsilon_{N,k} \leq \epsilon_{N,N} \leq C_1 e^{-N}$$

para todos los $1 \leq k \leq N$. La primera desigualdad es fácilmente demostrado que bajo ciertas probabilística de la interpretación. Deje $T_1, T_2, \cdots$ ser independiente de las variables aleatorias tener distribuciones exponenciales. Entonces podemos escribir $ \epsilon_{N,k} = \Bbb{P}(T_1 + \cdots + T_{k+1} > N^2 ) $. Esto demuestra que $\epsilon_{N,k}$ es monótona creciente en $k$. A continuación, aplique la sustitución de $ x \mapsto x + N$ escribir

$$ \epsilon_{N,N} = e^{-N} \int_{N^2 - N}^{\infty} \frac{(x+N)^N}{N!} e^{-x} \, dx. $$

Ahora note que $x + N \leq \frac{N}{N-1} x$$x \geq N^2 - N$. El uso de esta,

$$ \epsilon_{N,N} \leq e^{-N} \left(\frac{N}{N-1}\right)^N \int_{0}^{\infty} \frac{x^N}{N!} e^{-x} \, dx \leq C_1 e^{-N} $$

para algunos $C_1 > 0$. Este bound es un poco crudo, pero es suficiente para nuestro propósito. Lo siguiente que recuerdo la siguiente identidad

$$ \sum_{k=0}^{N} \left[ {N \atop k} \right] = N! $$

A partir de esto, hemos

$$ \left| \sum_{k=0}^{N} (-1)^{N-k} \frac{1}{N!}\a la izquierda[ {N \cima de k} \right] \frac{k!}{N^{k+1}} \epsilon_{N,k} \right| \leq C_1e^{-N}. $$

La extracción de los líderes plazo. Hacemos la observación de las siguientes identidades: si $N \geq 1$, luego

$$ \left[ {N \atop 0} \right] = 0, \qquad \left[ {N \atop 1} \right] = (N-1)!, \qquad \left[ {N \atop 2} \right] = (N-1)!N_{N-1}. $$

Desde $k!/N^k$ es la disminución en $k$ $k \geq 3$ tenemos $ k!/N^k \leq 6/N^3$. Así

\begin{align*} &\sum_{k=0}^{N} (-1)^{N-k} \frac{1}{N!}\left[ {N \atop k} \right] \frac{k!}{N^{k+1}} \\ &\hspace{2em} = (-1)^{N-1} \frac{1}{N^3} + (-1)^{N-2} \frac{2H_{N-1}}{N^4} + \mathcal{O}\left( \sum_{k=3}^{N} \frac{1}{N!}\left[ {N \atop k} \right] \frac{6}{N^{4}} \right) \\ &\hspace{4em} = (-1)^{N-1} \frac{1}{N^3} + (-1)^{N-2} \frac{2H_{N-1}}{N^4} + \mathcal{O}\left( \frac{1}{N^{4}} \right). \end{align*}

Conclusión. La combinación de ambas estimaciones, obtenemos

$$I_N = (-1)^{N-1} \frac{1}{N^3} + (-1)^{N-2} \frac{2\log N}{N^4} + \mathcal{O}\left( \frac{1}{N^{4}} \right). $$

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Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\bbx}[1]{\,\bbox[8px,border:1px groove armada]{\displaystyle{#1}}\,} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\,{#1}\,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\,{#1}\,\right\rbrack} \newcommand{\dd}{\mathrm{d}} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,\mathrm{e}^{#1}\,} \newcommand{\ic}{\mathrm{i}} \newcommand{\mc}[1]{\mathcal{#1}} \newcommand{\mrm}[1]{\mathrm{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left(\,{#1}\,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\,{#2}\,}\,} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{\mathrm{d}^{#1} #2}{\mathrm{d} #3^{#1}}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\,{#1}\,\right\vert}$ Tenga en cuenta que $\ds{\pars{~\mbox{with}\ \verts{z} < 1~}}$ \begin{align} \int_{0}^{N}\expo{-Nx}{x \choose N}\,\dd x & = \bracks{z^{N}}\int_{0}^{N}\expo{-Nx}\pars{1 + z}^{x}\,\,\dd x = \bracks{z^{N}}\int_{0}^{N}\bracks{\expo{-N}\pars{1 + z}}^{x}\,\,\dd x \\[5mm] & = \bracks{z^{N}}{1 \over \ln\pars{\expo{-N}\pars{1 + z}}} \int_{0}^{N}\partiald{\bracks{\expo{-N}\pars{1 + z}}^{x}}{x}\,\,\dd x \\[5mm] &= \bracks{z^{N}} {\bracks{\expo{-N}\pars{1 + z}}^{N} - 1 \over -N + \ln\pars{1 + z}} \\[5mm] & = -\expo{-N^{2}} \braces{\bracks{z^{N}}{\pars{1 + z}^{N} \over N - \ln\pars{1 + z}}} + \braces{\bracks{z^{N}}{1 \over N - \ln\pars{1 + z}}} \end{align}

Se puede tomar desde aquí ?. Todavía estoy haciendo algunos 'comprobación' !!!.

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