$\lim_{n\to\infty}\int_{-\infty}^{\infty}{\sin(n+0.5)x\over \sin(x/2)}\cdot{\mathrm dx\over 1+x^2}=\pi\cdot{e+1\over e-1}$

Question

Cómo podemos demostrar

$$\lim_{n\to\infty}\int_{-\infty}^{\infty}{\sin(n+0.5)x\over \sin(x/2)}\cdot{\mathrm dx\over 1+x^2}=\pi\cdot{e+1\over e-1}\tag1$$

$(1)$, sustitución no funciona, ya sea integración por las piezas.

Sabemos que $(2)$

$$\int_{-\infty}^{\infty}{\mathrm dx\over 1+x^2}=\pi\tag2$$

$${\sin(n+0.5)x\over \sin(x/2)}={\sin(nx)\cos(x/2)+\sin(x/2)\cos(nx)\over \sin(x/2)}\tag3$$

Simplificado a

$$=\sin(nx)\coth(x/2)+\cos(nx)\tag4$$

$$\lim_{n\to\infty}\int_{-\infty}^{\infty}\sin(nx)\cot(x/2)\cdot{\mathrm dx\over 1+x^2}+\int_{-\infty}^{\infty}\cos(nx)\cdot{\mathrm dx\over 1+x^2}=\pi\cdot{e+1\over e-1}\tag5$$

$$\lim_{n\to\infty}\int_{-\infty}^{\infty}\sin(nx)\cot(x/2)\cdot{\mathrm dx\over 1+x^2}+{\pi\over e^n}=\pi\cdot{e+1\over e-1}\tag6$$

$$\lim_{n\to\infty}\int_{-\infty}^{\infty}\sin(nx)\cot(x/2)\cdot{\mathrm dx\over 1+x^2}=\pi\cdot{e+1\over e-1}\tag7$$

No sé cómo seguir

Answer 1

Aquí está una manera rápida. Tenga en cuenta que

$${\sin(n+0.5)x\over \sin(x/2)}$$

es un núcleo de Dirichlet y podemos usar la identidad (que fácilmente puede ser probada)

$${\sin(n+0.5)x\over \sin(x/2)} = 1 + 2\sum_{k=1}^n \cos (kx)$ $ reescribir la integral como

\begin{align} I&= \lim_{n\to\infty}\int_{-\infty}^{\infty}{\sin(n+0.5)x\over \sin(x/2)}\cdot{\mathrm dx\over 1+x^2}=\lim_{n\to\infty}\int_{-\infty}^{\infty}\left[1 + 2\sum_{k=1}^n \cos (kx)\right]\cdot{\mathrm dx\over 1+x^2}\\ &=\int_{-\infty}^{\infty}{\mathrm dx\over 1+x^2} + 2\sum_{k=1}^{\infty }\int_{-\infty}^{\infty}{\cos (kx) \over (1+x^2)} \end {Alinee el}

La última integral puede evaluarse utilizando residuos para obtener

$$I = \pi + 2\pi \sum_{k=1}^{\infty }e^{-k}=\pi + \frac{2\pi}{e-1}=\pi \frac{e+1}{e-1}$$