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Área de ascendente regiones en parcela implícito - $\cos(y^y) = \sin(x)$

Tome la ecuación

$$ \cos \left( y^y \right) = \sin(x) $$

La trama se forma una especie de asimetría de tablero de ajedrez, donde cada "ficha" encoge como $y$ aumenta. Yo estaba tratando de encontrar la suma de las áreas (el azul de las regiones en la imagen de abajo), pero no puede encontrar una expresión para cada área. Me gustaría encontrar una expresión donde se $a_n$ $n$- ésima región y mostrar si $\sum a_n$ diverge o converge y si es así, el valor de la suma.

plot image

No estoy del todo seguro de cómo encontrar los rincones de la región de manera algebraica, pero la primera tiene esquinas aproximadas: de izquierda a $\left(-\frac{\pi}{2},2.47 \right)$, superior- $ \left(\frac{\pi}{2},2.62 \right)$, a la derecha- $ \left(\frac{3\pi}{2},2.47 \right)$, inferior- $ \left(\frac{\pi}{2},2.26 \right)$. Si nos aproximan a la forma de la primera región como un rombo, obtenemos $$A \approx \frac{(3\pi/2 + \pi/2) (2.62 - 2.26)}{2} = 1.130973 \text{ or } a_0 \approx 1.130973.$$

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user3002473 Puntos 1266

Descargo de responsabilidad: Esta es sólo una respuesta parcial.

El área de la región a la que te refieres es $$ A = \sum_{n=1}^\infty\int_{y_n}^{y_{n+1}}\left[\left(\frac{3\pi}2-\arcsin\cos(y^y)\right)-\left(\frac{\pi}2+\arcsin\cos(y^y)\right)\right]\text{d} y $$ donde $y_n$ es la secuencia de sucesivos puntos donde la función $\arcsin\cos(y^y)$ no es diferenciable (vamos a determinar más tarde). La forma en que hemos obtenido esta integral es de anotar que la eqaution $\cos(y^y) = \sin(x)$ es un periódico continuación de la ecuación de $x=\arcsin(\cos(y^y))$ (y su reflejo a través de la línea de $x=\pi/2$), con un periodo $\pi$.

Nota: Usted puede ver esto de ir por delante y una representación gráfica de la función anterior de $y$ junto a su gráfica de la ecuación implícita de arriba.

EDIT: no puedo creer que me perdí, pero me di cuenta de que la suma que se simplifica a $\int_{y_1}^\infty$ de la función. Puede omitir algunas de las secciones que a continuación acerca de la $y_n$ si usted lo prefiere.

Deje $f(y) = \arcsin(cos(y^y))$. La razón por la que estamos integrando más de $[3\pi/2-f(y)] - [\pi/2+f(y)]$, a diferencia de simplemente $[\pi-f(y)]-f(y)$ es debido a $f(y)$ es negativo, con valor mínimo $\pi/2$, por lo que tendremos que cambiar todo para que la zona positiva.

Deje $I_n$ denotar la integral en el sumando más arriba. Entonces $$ I_n = \int_{y_n}^{y_{n+1}}(\pi - 2f(y))\text{d} y = \pi(y_{n+1}-y_n)-2\int_{y_n}^{y_{n+1}}f(y)\text{d} y $$

Wolfram Alpha no da la forma cerrada para la integral indefinida de $f(y)$ en términos de funciones elementales (o trascendental/especiales para el caso), por lo que puede ser de utilidad para nosotros saber lo que es exactamente el$y_n$.

Lo que sucede exactamente en los puntos donde se $f(y)$ no es derivable? Estos son los puntos donde $\cos(y^y)$ llega a un punto crítico, y luego se va en la dirección opuesta. Otra manera de ver esto es de señalar que $\arcsin\cos x$ es una transformación de la onda triangular, que tiene puntos de inflexión en los puntos críticos de $\cos x$.

Por lo tanto, son puntos de $y_n$ son los puntos críticos de $\cos(y^y)$. La derivada de $\cos(y^y)$ es $$ \frac{\text{d}}{\text{d}y}\cos(x^y) = -y^y(\ln(y)+1)\sin(x^y) $$ La configuración de este igual a cero da $y_1 = \frac1e$ (lo que le da $\ln(y)=-1$), y $y_n = \exp(\text{W}(\ln(\pi n)))$ $n>1$ (donde $\text{W}(x)$ es la función W de Lambert).

Considere la posibilidad de $n>1$. Entonces $$ I_n = \int_{e^{\text{W}(\ln(\pi n))}}^{e^{\text{W}(\ln(\pi(n+1)))}}\arcsin(\cos(x^x))\text{d}x $$ Podemos hacer la sustitución $u=x^x$ señalando que $x = \text{W}(\ln u)$, y por lo $\text{d}u = x^x(\ln x + 1)\text{d} x = u(\text{W}(\ln u) + 1)\text{d}x$, lo que da $$ I_n = \int_{\pi n}^{\pi (n+1)}\frac{\arcsin(\cos u)}{\text{W}(\ln u) + 1}\frac{\text{d}u}{u} $$

Aquí es donde he de ejecutar fuera de tiempo, y parcialmente fuera de las ideas. Yo no veo ninguna ruta sencilla a tomar para evaluar esta integral, y no he echado un buen vistazo a su asymptotics para determinar si la suma incluso convergen. Espero que esto tiene al menos arrojar algo de luz sobre un enfoque para el problema.

EDIT: me di cuenta de que yo podría haber sido complicar las cosas mediante la introducción de $y_n$, y no mencionar que, dado que las integrales en el sumando tienen consecutivos puntos de inicio y fin, podemos escribir el área de $$ \begin{aligned} A & = \int_{y_1}^\infty(\pi-2f(y))\text{d}y \\ & = \lim_{N\to\infty}\left(\pi\left(N-\frac1e\right)-2\int_{e^{-1/e}}^{N^N}\frac{\arcsin(\cos(u))}{\text{W}(\ln u)+1}\frac{\text{d}u}{u}\right) \end{aligned} $$

No he mirado mucho en este límite aún.

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