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Una interesante integral de la $\cos(x)\cos(x^2)\cos(x^3)...$

Me interesé por las funciones de participación de los poderes de los cosenos después de ver este post. En particular, algunos de tocar el violín en Desmo me deja a mí con esta pregunta.

¿Cuál es el valor de $$\int_{-1}^1\cos(x)\cos(x^2)\cos(x^3)...\,dx\quad?$$

Por supuesto, podemos escribir de forma concisa como $\int_{-1}^1\prod_{i=1}^\infty\cos(x^i)\,dx$, y se puede demostrar fácilmente que está por encima de la $x$-eje de allí.

Podemos ver que es muy parecido a la unidad de semicírculo; por lo tanto, esperamos que la integral a estar acotada arriba por $\pi/2$.

enter image description here

Cualquier mejora en este enlazado son bienvenidos.

4voto

Roger Hoover Puntos 56

El límite superior no es terriblemente difícil de probar.
Por el Weierstrass producto para la función coseno tenemos

$$ -\log\cos x = \sum_{n\geq 1}\frac{(4^n-1)\zeta(2n)}{n \pi^{2n}}x^{2n} \tag{1}$$ por lo tanto $$ \sum_{m\geq 1} -\log\cos x^m = \sum_{n\geq 1}x^{2n}\sum_{d\mid n}\frac{(4^d-1)\zeta(2d)}{d\pi^{2d}}=\sum_{n\geq 1} c_n x^{2n}\tag{2}$$ mientras $$ -\log\sqrt{1-x^2} = \sum_{n\geq 1}\frac{1}{2n} x^{2n}\tag{3} $$ por lo tanto es suficiente para mostrar la $c_n\geq \frac{1}{2n}$, lo cual es trivial ya que $$ c_n\geq \frac{(4^1-1)\zeta(2\cdot 1)}{1\cdot \pi^{2\cdot 1}}=\frac{1}{2}.\tag{4}$$ De hecho, esta desigualdad se demuestra $$\forall x\in(-1,1),\qquad \prod_{m\geq 1}\cos(x^m)\approx\exp\left(\frac{x^2}{2(x^2-1)}\right) $$ tal que la integral dada resulta ser bastante cerca de

$$ 2\int_{0}^{1}\exp\left(\frac{x^2}{2(x^2-1)}\right)\,dx = \int_{0}^{+\infty}\frac{e^{-z/2}\,dz}{(z+1)\sqrt{z^2+z}}=\sqrt{\pi}\,U\left(\tfrac{1}{2},0,\tfrac{1}{2}\right)\approx \sqrt{2}$$ donde $U$ es Tricomi de la función hipergeométrica confluente.

3voto

Yuriy S Puntos 179

El infinito producto bajo la integral converge muy rápido para $|x|<1$, ya que contamos con:

$$\cos x^n=1-\frac{x^{2n}}{2}+\frac{x^{4n}}{24}- \dots$$

So the following estimation for the infinite product can be made:

$$P(x)=\prod_{n=1}^\infty \cos x^n=\prod_{n=1}^N \cos x^n+\text{o} (x^{2N}) \tag{1}$$

To me it's quite interesting to prove that for $|x|>1$ the product approaches $0$. I think the probability argument can be made, since for large $n$ the factors start to behave like random variables evenly distributed on $[-1,1]$. Thus, their expected value would be $0$, and so $P(x)$ will vanish.

As the function $P(x)$ is continuous (and likely infinitely differentiable, though I'm not sure how to prove that), and we have $P(0)=1$ and $P(|x|>1)=0$, the argument can be made that only $|x|<1$ contribute to the value of the integral.

Thus, the Taylor series around $x=0$ should give a good approximation to $P(x)$ and integrating it by term we should obtain a good estimation of the integral.

As (1) shows we need to only consider $N$ factors in the product to obtain Taylor series up to $x^{2N}$.

For $N=6$ (with a little help of Wolfram Alpha) we obtain:

$$P(x)=1 - \frac{x^2}{2} - \frac{11 x^4}{24} - \frac{181 x^6}{720} - \frac{9239 x^8}{40320} - \frac{148681 x^{10}}{3628800} - \frac{49402979 x^{12}}{479001600}+\text{o} (x^{12})$$

El hecho de que todos los términos, excepto la primera, son negativos puede ser simplemente una coincidencia (o no, ver a Jack D'Aurizio la respuesta).

Integrando la expresión anterior por el plazo que nos da el límite inferior de la integral:

$$2 \int_0^1 P(x) dx > \frac{832721237}{622702080}=1.3372706848835321 \dots$$

Creo que salir de nuestro algunos de los términos que realmente nos da una mejor obligado, pero sin una cuidadosa consideración, y conseguir un buen valor numérico de la integral de la primera, bien podríamos tomar sólo los dos primeros términos:

$$2 \int_0^1 P(x) dx \approx 2-\frac{1}{3}=\frac{5}{3}=1.66666\dots$$

Which is poor estimation, and actually from above, not from below.

I'll try to check with other methods and maybe get a good numerical value with Mathematica later (if nobody else provides it).

Update

Even without Mathematica, I have been able to get a good numerical estimation, by doing quadratic spline interpolation on an equal grid with step size $0.1$. For the last interval I used a cubic spline because of the bend.

Here's the interpolation result (right side) compared to the truncated product from the OP (left side):

enter image description here

$$2 \int_0^1 P(x) dx \approx 1.4002420432 $$

This value agrees very well with the one provided by Jack D'Aurizio in the comments below.

I used WolframAlpha to compute the product for $9$ points and also the set the splines derivatives to $0$ at $x=0$ and $x=1$, as well as the usual conditions on the equality of splines and their derivatives at grid points.

Here are the splines explicitly.

-0.50460870178410*x^2+1 -0.56117523777048*(x-1/10)^2-0.10092174035682*(x-1/10)+0.99495391298216 -0.68453974237033*(x-2/10)^2-0.21315678791092*(x-2/10)+0.97924998656877 -0.90014478829508*(x-3/10)^2-0.35006473638498*(x-3/10)+0.95108891035398 -1.26006346202322*(x-4/10)^2-0.53009369404400*(x-4/10)+0.90708098883253 -1.86364442303217*(x-5/10)^2-0.78210638644864*(x-5/10)+0.84147098480790 -2.87493565303363*(x-6/10)^2-1.15483527105508*(x-6/10)+0.74462390193271 -4.30929593526087*(x-7/10)^2-1.72982240166180*(x-7/10)+0.60039101829687 -2.71129664596445*(x-8/10)^2-2.59168158871398*(x-8/10)+0.38431581877808 -117.324704896617*(x-9/10)^3+33.2684103240269*(x-9/10)^2-3.13394091790687*(x-9/10)+0.09803469344703


Using the numerical value, we find that the closest approximation is obtained by truncating the Taylor series at:

$$P(x) \approx 1 - \frac{x^2}{2} - \frac{11 x^4}{24} - \frac{181 x^6}{720}$$

Which gives for the integral:

$$2 \int_0^1 P(x) dx \approx \frac{3557}{2520}=1.4115\dots$$

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