7 votos

$\displaystyle\int_{0<x<y<z<w<1} \left\{\dfrac{x}{y}\right\}\left\{\dfrac{y}{z}\right\}\left\{\dfrac{z}{w}\right\}\left\{\dfrac{w}{x}\right\}$

Intentaba integrar esto:$\displaystyle \int\limits_{0\lt x\lt y\lt z\lt w\lt 1} \left\{\dfrac{x}{y}\right\}\left\{\dfrac{y}{z}\right\}\left\{\dfrac{z}{w}\right\}\left\{\dfrac{w}{x}\right\}$

Donde$\{.\}$ indica la función de parte fraccionaria. Lo que hice fue:

$\displaystyle \begin{align}I &= \displaystyle \int\limits_{0\lt x\lt y\lt z\lt w\lt 1} \dfrac{x}{y}\dfrac{y}{z}\dfrac{z}{w}\left\{\dfrac{w}{x}\right\} \\ &= \int_{w=0}^1\int_{x=0}^{w}\int_{y=x}^{w}\int_{z=x}^{w} \dfrac{x}{y}\dfrac{y}{z}\dfrac{z}{w}\left\{\dfrac{w}{x}\right\} \; dx\; dy\; dz\; dw \\ &=\int_{w=0}^1 \int_{x=0}^{w} \dfrac{(w-x)^2 x}{w}\left\{\dfrac{w}{x}\right\}\; dx\; dw \\ &=\int_0^1 \int_0^1 w^2 (1-t)^2 t\left\{\dfrac{1}{t}\right\}\; dt\; dw\quad \text{By substitution }x=wt \\ &=\dfrac{1}{3}\int_0^1 t(1-t)^2 \left\{\dfrac{1}{t}\right\}\; dt\end{align}$

Ahora podría fácilmente evaluar la última integral y si no hay un error tonto que sale a ser$I=\dfrac{2\zeta(3)}{9}-\dfrac{\zeta(4)}{12}-\dfrac{\zeta(2)}{6}+ \dfrac{1}{9}$

Estoy aquí cuious que he manipulado los límites bien? Es decir, rompiendo$0<x<y<z<w<1$ en cuatro integraciones diferentes con límites apropiados. ¿Estaban bien los límites?

7voto

Joe Gauterin Puntos 9526

Este es un comentario abordar OP verdadera pregunta cómo decidir la integración límite.
Simplemente, es demasiado largo para caber en la caja de comentarios.


Los límites de la $z$ puede ser $\int_{z=0}^w$, $\int_{z=x}^w$ o algo más. De cuál utilizar depende del orden de integración. Como un ejemplo, considere la siguiente extraña orden de integración de $ dw dy dx dz$.

  1. La capa más externa de la integración es $z$. Ya que esta es la capa más externa, el resto de variables $x,y,w$ han sido controlados por el interior de la capa de integración. La única restricción de es $0 < z < 1$. Esto significa que su integral comenzar con un $\int_{z=0}^1$.

  2. Junto a solucionar $z$, $0 < x < y < z < w$ dividido en dos sub-condiciones de $0 < x < y < z$$z < w < 1$. Desde que se desea integrar $x$, sólo el primer sub-condición de la materia. Desde $y$ ha sido manejado por el interior capa de integral, la restricción de $x$ ser $0 < x < z$. Esto significa que el dos primeras capas de la integral debe ser $\int_{z=0}^1\int_{x=0}^z$.

  3. Después de eso, $z$ $x$ son fijos y desea integrar más de $y$. La correspondiente restricción en $y$$x < y < z$. Los tres primeros de la capa de integral debería ser $\int_{z=0}^1 \int_{x=0}^z\int_{y=x}^z$.

  4. Finalmente, $z$, $x$, $y$ son fijos y vamos a integrar más de $w$. La única restricción permanecer es $z < w < 1$, el pleno de La integral debe ser $\int_{z=0}^1\int_{x=0}^z\int_{y=x}^z\int_{w=z}^1 (\cdots)dw dy dx dz$

En resumen, se puede determinar la correcta integral de los límites por el cumplimiento de la restricción de la capa de la capa. Inicio de la capa más externa y de trabajo hacia el interior.

4voto

Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\bbx}[1]{\,\bbox[8px,border:1px groove armada]{\displaystyle{#1}}\,} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\,{#1}\,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\,{#1}\,\right\rbrack} \newcommand{\dd}{\mathrm{d}} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,\mathrm{e}^{#1}\,} \newcommand{\ic}{\mathrm{i}} \newcommand{\mc}[1]{\mathcal{#1}} \newcommand{\mrm}[1]{\mathrm{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left(\,{#1}\,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\,{#2}\,}\,} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{\mathrm{d}^{#1} #2}{\mathrm{d} #3^{#1}}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\,{#1}\,\right\vert}$

De ahora en adelante, voy a usar Iverson Corchetes $\ds{\pars{~\mbox{namely,}\ \bracks{\cdots}~}}$ que son muy eficientes cuando un engorroso restricción está presente.

\begin{align} I & \,\,\,\substack{\mbox{def.} \\[1mm] \ds{\equiv}} \int_{-\infty}^{\infty}\int_{-\infty}^{\infty}\int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} \braces{x \over y}\braces{y \over z}\braces{z \over w}\braces{w \over x} \bracks{0 < x < y < z < w < 1}\dd x\,\dd y\,\dd z\,\dd w \\[5mm] & = \int_{-\infty}^{1}\int_{-\infty}^{\infty}\int_{-\infty}^{\infty} \int_{0}^{\infty}{x \over y}\,{y \over z}\,{z \over w}\,\braces{w \over x} \bracks{x < y < z < w}\dd x\,\dd y\,\dd z\,\dd w \\[5mm] & = \int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty}\int_{0}^{\infty}\int_{-\infty}^{1} {1 \over w/x}\,\braces{w \over x} \bracks{x < y < z < x\,{w \over x}}x\,{\dd w \over x}\,\dd x\,\dd y\,\dd z \\[5mm] & = \int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty}\int_{0}^{\infty}x\int_{-\infty}^{1/x} {\braces{w} \over w}\bracks{x < y < z < xw}\dd w\,\dd x\,\dd y\,\dd z \\[5mm] & = \int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty}\int_{0}^{\infty}x\int_{-\infty}^{\infty} \bracks{w < {1 \over x}}{\braces{w} \over w}\bracks{x < y < z}\bracks{z < xw} \dd w\,\dd x\,\dd y\,\dd z \\[5mm] & = \int_{0}^{\infty}x\int_{-\infty}^{\infty}\bracks{w < {1 \over x}} {\braces{w} \over w}\int_{-\infty}^{\infty}\bracks{z < xw} \int_{-\infty}^{\infty}\bracks{x < y < z}\dd y\,\dd z\,\dd w\,\dd x \\[5mm] & = \int_{0}^{\infty}x\int_{-\infty}^{\infty}\bracks{w < {1 \over x}} {\braces{w} \over w}\int_{-\infty}^{\infty}\bracks{z < xw} \bracks{x < z}\int_{x}^{z}\dd y\,\dd z\,\dd w\,\dd x \\[5mm] & = \int_{0}^{\infty}x\int_{-\infty}^{\infty}\bracks{w < {1 \over x}} {\braces{w} \over w}\int_{-\infty}^{\infty}\bracks{x < z < xw} \pars{z - x}\dd z\,\dd w\,\dd x \\[5mm] & = \int_{0}^{\infty}x\int_{-\infty}^{\infty}\bracks{w < {1 \over x}} {\braces{w} \over w}\bracks{x < xw}\int_{x}^{xw} \pars{z - x}\dd z\,\dd w\,\dd x \\[5mm] & = \int_{0}^{\infty}x\int_{-\infty}^{\infty}\bracks{1 < w < {1 \over x}} {\braces{w} \over w} \pars{{1 \over 2}\,w^{2}x^{2} - {1 \over 2}\,x^{2} - wx^{2} + x^{2}}\dd w\,\dd x \\[5mm] & = {1 \over 2}\int_{0}^{\infty}x^{3}\int_{-\infty}^{\infty} \bracks{1 < w < {1 \over x}}{\braces{w} \over w}\pars{w - 1}^{2} \,\dd w\,\dd x \\[5mm] & = {1 \over 2}\int_{-\infty}^{\infty} {\braces{w} \over w}\pars{w - 1}^{2}\int_{0}^{\infty}x^{3} \bracks{x < wx < 1}\,\dd x\,\dd w \\[5mm] & = {1 \over 2}\int_{-\infty}^{\infty} {\braces{w} \over w}\pars{w - 1}^{2}\bracks{w > 1}\int_{0}^{1/w}x^{3} \,\dd x\,\dd w = {1 \over 8}\int_{1}^{\infty} {\pars{w - 1}^{2} \over w^{5}}\,\pars{w - \left\lfloor w\right\rfloor}\dd w \\[5mm] & = { 1 \over 24} - {1 \over 8}\sum_{n = 1}^{\infty}\int_{n}^{n + 1}{\pars{w - 1}^{2} \over w^{5}}\,n\,\dd w = \bbx{{1 \over 24} - {1 \over 16}\,\zeta\pars{2} + {1 \over 12}\,\zeta\pars{3} - {1 \over 32}\,\zeta\pars{4}} \\[5mm] & = \bbx{{1 \over 24} - {\pi^{2} \over 96} + {1 \over 12}\,\zeta\pars{3} - {\pi^{4} \over 2880}} \approx 0.00520709503181230\ldots \end{align}

Ya he realizado una simulación, hasta el $\ds{16,777,215}$ cuatrillizos $\ds{\pars{x,y,z,w}}$, lo cual está de acuerdo con el anterior resultado analítico. Simulación de este tipo 'genera' el valor de $\ds{0.00520\color{#f00}{943}}$.

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