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calcular las integrales impropias usando integración por partes

Calcular

\begin{equation*} \int_0^\infty \frac{\sin^4(x)}{x^2}~dx\text{ and }\int_0^\infty \frac{\sin (ax) \cos (bx)}{x}~dx. \end{ecuación*}

Para la primera integral traté de dejar a $u = \sin ^4 x$$dv= \frac{1}{x^2}~dx$, que se simplifica a $\int_0 ^\infty \frac{4 \sin^3(x) \cos(x)}{x}~dx$ y aplicar la integración por partes de nuevo con $u = \sin^3(x) \cos (x)$$dv = \frac{1}{x}$, tengo

$$\left.\vphantom{\frac11}[\sin ^3 (x) \cos (x) \ln (x)] \right|_0^\infty - \int_0^\infty \ln (x) [3 \sin ^2 (2x) - \sin^4 (x)]~dx$$

El único problema es que parece que el término $[\sin ^3 (x) \cos (x) \ln (x)] \big\vert_0^\infty$ evalúa al infinito y ni el $3\int_0^\infty \ln (x) \sin ^2 (2x)~dx$ plazo, ni el $3\int_0^\infty \ln (x) \sin^4 (x)~dx$ converge.Esto se parece a un callejón sin salida, pero la otra opción de $u$ $dv$ parece incluso peor, así que no estoy seguro de cómo proceder.

Para la segunda integral traté de $u = \sin (ax) \cos (bx)$$dv = \frac{1}{x}$, lo que me da $[\sin (ax) \cos (bx) \ln (x)] \big\vert_0^\infty + \int_0^\infty \frac{b-a}{2} \ln (x) \cos ((a-b)x)~dx - \int_0 ^ \infty \frac{b+a}{2} \ln (x) \cos ((a+b)x)~dx$, lo que también se parece a un callejón sin salida debido a que todos los tres de los términos ir hasta el infinito.

Cualquier ayuda es muy apreciada.

3voto

Ron Gordon Puntos 96158

$$\begin{align}\int_0^{\infty} dx \frac{\sin^4{x}}{x^2} &= \int_0^{\infty} dx \frac{\sin^2{x}}{x^2} - \int_0^{\infty} dx \frac{\sin^2{x} \cos^2{x}}{x^2} \\ &= \int_0^{\infty} dx \frac{\sin^2{x}}{x^2} - \frac14 \int_0^{\infty} dx \frac{\sin^2{2 x}}{x^2} \\ &= \int_0^{\infty} dx \frac{\sin^2{x}}{x^2} - \int_0^{\infty} dx \frac{\sin^2{2 x}}{(2 x)^2}\\ &= \int_0^{\infty} dx \frac{\sin^2{x}}{x^2} - \frac12 \int_0^{\infty} du \frac{\sin^2{u}}{u^2}\\ &= \frac12 \int_0^{\infty} dx \frac{\sin^2{x}}{x^2}\end{align}$$

Ahora, si tan sólo pudiera hacer que la última integral...

2voto

Leg Puntos 14825

Para la primera, tenemos \begin{align} \int_0^{\infty} \dfrac{\sin^4(x)}{x^2}dx & = \int_0^{\infty} \dfrac{\sin^2(x)(1-\cos^2(x))}{x^2}dx = \int_0^{\infty} \dfrac{\sin^2(x)}{x^2}dx - \int_0^{\infty} \dfrac{\sin^2(x)\cos^2(x)}{x^2}dx\\ & = \int_0^{\infty} \text{sinc}^2(x) dx - \int_0^{\infty} \dfrac{\sin^2(2x)}{(2x)^2}dx = \int_0^{\infty} \text{sinc}^2(x) dx - \dfrac12\int_0^{\infty} \text{sinc}^2(x) dx\\ & = \dfrac12\int_0^{\infty} \text{sinc}^2(x) dx = \dfrac{\pi}4 \end{align} A partir de aquí, tenemos el valor de $\int_0^{\infty} \text{sinc}^m(x)dx$


Para el segundo, tenemos $$\sin(ax)\cos(bx) = \dfrac{\sin((a+b)x) + \sin((a-b)x)}2$$ Tenemos por lo tanto, tienen $$\dfrac12\int_0^{\infty}\dfrac{\sin((a+b)x)}xdx + \dfrac12\int_0^{\infty}\dfrac{\sin((a-b)x)}xdx = \begin{cases} \dfrac{\pi}2 & \text{ if }a>b\\ \dfrac{\pi}4 & \text{ if }a=b\\ 0 & \text{ if }a < b \end{casos}$$

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