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Presupuestando

Estoy tratando de estimar el $\int_0^x f(x-t)f'(t)dt$ en términos de una simple expresión asintótica con un término de error para algunos 'buen comportamiento' funciones, a saber,$f = O(x)$, de clase $C^1$ o más, con $f$ (asintóticamente) y el aumento de $f'$ (asintóticamente) monotónica. (por ejemplo,$\sqrt[3]{x}$, $\frac{x}{\log{x}}$, $\sqrt{x}\log{x}$).

Si $f$ no es positivo o bien definido en $(0,x)$ podemos cambiar el dominio de integración a $(\alpha, x-\alpha)$, este cambio no modifica ninguno de los asintótica resultado de todos modos.

Ejemplo. Para $f(x) = \sqrt{x}$, no es difícil mostrar que $\int_0^x f(x-t)f'(t)dt \sim \frac{\pi}{4}x$.

Más en general, tengo la sospecha de que $\int_0^x f(x-t)f'(t)dt = Cf(x)^2 + O(f(x))$, para algunas constantes $C$ dependiendo $f$, pero la única cosa que he esbozado una prueba de lo que ahora se que $\int_0^x f(x-t)f'(t)dt \asymp f(x)^2$, como sigue:

En primer lugar, por el orden de $f$, sostiene $f(x-t) \gg f(x)-f(t)$$x\to\infty$. Así:

$\int_0^x f(x-t)f'(t)dt \gg f(x)\int_0^x f'(t)dt - \int_0^x f(t)f'(t)dt \gg f(x)^2$.

En segundo lugar, dado que el $f$ va en aumento,

$\int_0^x f(x-t)f'(t)dt < f(x)\int_0^{x/2} f'(t)dt + \int_{x/2}^x f(t)f'(t)dt \ll f(x)^2$.

El problema es que no tengo ni idea de cómo probar (o si tengo que añadir más hipótesis sobre $f$ con el fin de demostrar) mi sospecha. Agradecería cualquier sugerencia.

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Para simplificar las cosas, supongo que $f$ es creciente y $f'$ es la disminución de la* a $(0,\infty)$; de lo contrario cambio de la variable. Comenzar con $$\begin{split} \int_0^x f(x-t)f'(t)\,dt &= \int_0^x \left(f(0)+\int_0^{x-t}f'(s)\,ds\right)f'(t)\,dt \\&=f(0)f(x) + \iint_{s+t\le x}f'(s)f'(t)\,ds\,dt \end{split}$$ (Las variables de integración son siempre no negativo de aquí).

También, $f(x)^2= -f(0)^2+2f(0)f(x)+(f(x)-f(0))^2$ donde el último término es $$ (f(x)-f(0))^2 = \left(\int_0^{x}f'(t)\,dt\right)^2 = \iint_{s,t\le s}f'(s)f'(t)\,ds\,dt $$ Desde $f'$ es no negativa y $\{(s,t):s+t\le x\}\subset \{(s,t):s,t\le x\}$, se deduce que $$ \int_0^x f(x-t)f'(t)\,dt \le f(x)^2 + O(f(x)) \etiqueta{1} $$ Por otro lado, $\{(s,t):s+t\le x\}\supset \{(s,t):s,t\le x/2\}$, lo que conduce a $$ \int_0^x f(x-t)f'(t)\,dt \ge f(x/2)^2 + O(f(x)) \etiqueta{2} $$ Y desde $f'$ es la disminución*, $f(x)-f(x/2)\le f(x/2)-f(0)$, lo que implica $f(x)\le 2f(x/2)+f(0)$, por lo tanto $f(x)^2\le 4f(x/2)^2 + O(f(x))$. Por lo tanto, (1) y (2) implica $$ \frac14 f(x)^2 + O(f(x)) \le \int_0^x f(x-t)f'(t)\,dt \le f(x)^2 + O(f(x)) \etiqueta{3} $$


Yo no creo que el límite de $\frac{1}{f(x)^2}\int_0^x f(x-t)f'(t)\,dt $ existe sin supuestos adicionales en $f$. El problema es que $f'$ puede disminuir un poco irregular, por lo que las integrales de $f'(s)f'(t)$ más de un cuadrado y su izquierda inferior de la diagonal de la mitad no tiene que ser asintóticamente proporcional.


(*) No decir que $f'$ está disminuyendo, sólo que es monótono. Pero si $f'$ es creciente, debido a la suposición de $f(x)=O(x)$ tenemos $f'(x)\to L<\infty$, por lo tanto $f(x)\sim Lx$, de donde la conclusión de $\int_0^x f(x-t)f'(t)\,dt\sim \frac12 L^2 x^2\sim \frac12 f(x)^2$ sigue.

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