Mathematics · Libro 4 · Bachelor Year 2

Matemáticas universitarias — Grado 2

Matemáticas universitarias — Grado 2 · Bachelor Year 2

6Comparación de funciones

El análisis asintótico —el arte de sustituir una cantidad complicada por otra sencilla más un error controlado— se inició en el volumen del primer año con los desarrollos de Taylor. Este capítulo lo convierte en disciplina propia: desarrollos sobre escalas generales, la comparación serie–integral con toda su fuerza asintótica, la fórmula de Stirling (demostrada por completo) y el estudio sistemático de las sucesiones definidas implícitamente. Estas técnicas son el pan de cada día del análisis asintótico, y todo capítulo posterior que estime algo —series, integrales, probabilidades— come de esta mesa.

6.1 Relaciones de comparación y escalas

Definición 6.1

Cerca de un punto aa (a∈Ra \in \R o ±∞\pm\infty), para funciones (o para sucesiones, con n→∞n \to \infty): f=o(g)f = o(g), f=O(g)f = O(g), f∼gf \sim g como en el volumen del primer año. Una escala de comparación en aa es una familia de funciones positivas, comparables dos a dos y totalmente ordenada por o(⋅)o(\cdot); la escala estándar en +∞+\infty es

xα(ln⁡x)β(α,β∈R),x^{\alpha} (\ln x)^{\beta} \qquad (\alpha, \beta \in \R),

ordenada lexicográficamente en (α,β)(\alpha, \beta) y refinada cuando hace falta con exponenciales eγx\eu^{\gamma x}.

Definición 6.2 (Desarrollo asintótico)

ff admite el desarrollo asintótico

f=c1φ1+c2φ2+⋯+ckφk+o(φk)(φi+1=o(φi) en la escala)f = c_1 \varphi_1 + c_2\varphi_2 + \dots + c_k \varphi_k + o(\varphi_k) \qquad (\varphi_{i+1} = o(\varphi_i) \text{ en la escala})

cuando los restos sucesivos cumplen las estimaciones indicadas. Entonces los coeficientes son únicos: c1=lim⁡f/φ1c_1 = \lim f/\varphi_1 y, por inducción, ci+1=lim⁡ (f−∑j≤icjφj)/φi+1c_{i+1} = \lim\,(f - \sum_{j \leq i} c_j\varphi_j)/\varphi_{i+1}.

Ejemplo 6.3

Los desarrollos de Taylor son desarrollos asintóticos sobre la escala (x−a)k(x - a)^k en aa. Pero la noción es estrictamente más amplia: en +∞+\infty,

1x−ln⁡x=1x⋅11−ln⁡xx=1x+ln⁡xx2+o(ln⁡xx2),\frac{1}{x - \ln x} = \frac1x \cdot \frac{1}{1 - \frac{\ln x}{x}} = \frac1x + \frac{\ln x}{x^2} + o\Bigl(\frac{\ln x}{x^2}\Bigr),

un desarrollo sobre la escala mixta: no se aplica ningún teorema de Taylor, solo el desarrollo geométrico y el cálculo con oo.

Ejemplo 6.4 (La escala estándar está realmente ordenada)

La afirmación lexicográfica de la Definición 6.1 necesita una línea de demostración por caso. Comparemos xα(ln⁡x)βx^{\alpha}(\ln x)^{\beta} y xα′(ln⁡x)β′x^{\alpha'}(\ln x)^{\beta'} en +∞+\infty. Si α<α′\alpha < \alpha': el cociente es xα−α′(ln⁡x)β−β′→0x^{\alpha - \alpha'}(\ln x)^{\beta - \beta'} \to 0, porque una potencia negativa de xx aplasta cualquier potencia de ln⁡x\ln x (póngase x=etx = \eu^t: e(α−α′)t tβ−β′→0\eu^{(\alpha - \alpha')t}\,t^{\beta - \beta'} \to 0 por el límite exponencial-gana-a-polinomio del volumen del primer año). Si α=α′\alpha = \alpha' y β<β′\beta < \beta': el cociente es (ln⁡x)β−β′→0(\ln x)^{\beta - \beta'} \to 0 directamente. Así pues, los pares (α,β)(\alpha, \beta), ordenados lexicográficamente, ordenan la escala por o(⋅)o(\cdot); y la sustitución x=etx = \eu^t es el truco universal para las comparaciones mixtas de potencias y logaritmos.

Ejemplo 6.5 (Ordenar una fauna variada)

Las escalas han de estar ordenadas; he aquí el ejercicio estándar. En +∞+\infty, comparemos n10n^{10}, eln⁡n ⋅ n\eu^{\sqrt{\ln n}\,\cdot\,\sqrt n}, 2n2^n y nln⁡nn^{\ln n} tomando logaritmos:

10ln⁡n  ≪  (ln⁡n)2  ≪  nln⁡n  ≪  nln⁡2,10\ln n \;\ll\; (\ln n)^2 \;\ll\; \sqrt{n\ln n} \;\ll\; n\ln 2 ,

donde an≪bna_n \ll b_n significa an=o(bn)a_n = o(b_n); la segunda entrada es ln⁡(nln⁡n)\ln(n^{\ln n}). Las exponenciales conservan esos saltos estrictos (si ln⁡un−ln⁡vn→−∞\ln u_n - \ln v_n \to -\infty, entonces un/vn→0u_n/v_n \to 0), de modo que

n10=o(nln⁡n),nln⁡n=o(enln⁡n),enln⁡n=o(2n).n^{10} = o\bigl(n^{\ln n}\bigr), \qquad n^{\ln n} = o\bigl(\eu^{\sqrt{n\ln n}}\bigr), \qquad \eu^{\sqrt{n\ln n}} = o(2^n) .

La moraleja, por partida doble: compárese siempre a través de logaritmos (diferencias de logaritmos, no cocientes de logaritmos), y no se concluya nunca un∼vnu_n \sim v_n a partir de ln⁡un∼ln⁡vn\ln u_n \sim \ln v_n; el par n10n^{10} y nln⁡nn^{\ln n} tiene cociente de logaritmos que tiende a ∞\infty, pero 2n2^n y 4n4^n tienen cociente de logaritmos exactamente 22 y son tremendamente no equivalentes.

6.2 Comparación serie–integral, en clave asintótica

Teorema 6.6

Sea ff continua, positiva y decreciente sobre [1, +∞)\intco{1}{+\infty}.

  1. Si ∫1∞f\int_1^{\infty} f converge, los restos cumplen

    ∫n+1∞f  ≤  ∑k>nf(k)  ≤  ∫n∞f.\int_{n+1}^{\infty} f \;\leq\; \sum_{k > n} f(k) \;\leq\; \int_{n}^{\infty} f .
  2. Si ∫1∞f\int_1^\infty f diverge, las sumas parciales cumplen ∑k=1nf(k)=∫1nf+C+o(1)\sum_{k=1}^{n} f(k) = \int_1^n f + C + o(1) para cierta constante CC: la diferencia ∑k≤nf(k)−∫1nf\sum_{k \leq n} f(k) - \int_1^n f converge.

Demostración. El encuadre f(k+1)≤∫kk+1f≤f(k)f(k+1) \leq \int_k^{k+1} f \leq f(k) (por ser decreciente) fue el recurso del primer año; sumando sobre k≥n+1k \geq n+1, o bien sobre k≥nk \geq n, se obtiene (1). Para (2), pongamos uk=f(k)−∫kk+1fu_k = f(k) - \int_k^{k+1} f: por el encuadre, 0≤uk≤f(k)−f(k+1)0 \leq u_k \leq f(k) - f(k+1), de modo que las sumas parciales de ∑uk\sum u_k están acotadas por la suma telescópica f(1)−f(n+1)≤f(1)f(1) - f(n+1) \leq f(1): la serie converge. Además, la sucesión (∫nn+1f)n\bigl(\int_n^{n+1} f\bigr)_n es no creciente (ff decrece) y no negativa, luego convergente. Escribiendo

∑k=1nf(k)−∫1nf=∑k=1nuk+∫nn+1f,\sum_{k=1}^{n} f(k) - \int_1^n f = \sum_{k=1}^{n} u_k + \int_n^{n+1} f ,

el miembro derecho converge cuando n→∞n \to \infty: la diferencia converge a una constante CC, que es el enunciado (2). ∎

Ejemplo 6.7 (El desarrollo armónico)

Para f(t)=1tf(t) = \frac1t: Hn=ln⁡n+γ+o(1)H_n = \ln n + \gamma + o(1), recuperando la constante de Euler (volumen del primer año) con una demostración más limpia. Un orden más allá (Ejercicio 6.3):

Hn=ln⁡n+γ+12n+o(1n).H_n = \ln n + \gamma + \frac{1}{2n} + o\Bigl(\frac1n\Bigr).

Los números hacen visible la ganancia en n=10n = 10: H10=2.928968…H_{10} = 2.928968\dots y ln⁡10=2.302585…\ln 10 = 2.302585\dots, de modo que la estimación bruta de γ\gamma es H10−ln⁡10=0.626383H_{10} - \ln 10 = 0.626383, con un error de 0.0490.049; restando la corrección 120\frac1{20} se obtiene 0.5763830.576383, que dista de γ=0.577216\gamma = 0.577216 solo 8.3⋅10−48.3\cdot10^{-4}, cantidad que es a su vez el término siguiente 112⋅100\frac{1}{12\cdot100} del desarrollo, como demuestra el problema de fin de semana (pregunta 8).

Ejemplo 6.8 (Un ln⁡(n!)\ln(n!) tosco, sin Stirling)

El recurso del encuadre basta ya para localizar ln⁡(n!)\ln(n!). Como ln⁡\ln es creciente,

∫k−1kln⁡t  ⁣dt  ≤  ln⁡k  ≤  ∫kk+1ln⁡t  ⁣dt,\int_{k-1}^{k}\ln t\,\dd t \;\leq\; \ln k \;\leq\; \int_{k}^{k+1}\ln t\,\dd t ,

y sumando sobre k=2,…,nk = 2, \dots, n (con ∫1nln⁡=nln⁡n−n+1\int_1^n\ln = n\ln n - n + 1):

nln⁡n−n+1  ≤  ln⁡(n!)  ≤  (n+1)ln⁡(n+1)−n.n\ln n - n + 1 \;\leq\; \ln(n!) \;\leq\; (n+1)\ln(n+1) - n .

Ambas vallas valen nln⁡n−n+O(ln⁡n)n\ln n - n + O(\ln n), de donde ln⁡(n!)=nln⁡n−n+O(ln⁡n)\ln(n!) = n\ln n - n + O(\ln n) y, en particular, ln⁡(n!)∼nln⁡n\ln(n!) \sim n\ln n. Lo que Stirling añade son los dos peldaños siguientes —el 12ln⁡n\frac12\ln n y la constante ln⁡2π\ln\sqrt{2\pi}—, que cuestan la suma telescópica más fina del Teorema 6.13. Saber qué precisión compra cada herramienta es la mitad del oficio asintótico.

Ejemplo 6.9 (Las cancelaciones exigen desarrollos)

Calculemos el límite de n2+n−n\sqrt{n^2 + n} - n. Ambos términos son ∼n\sim n, y “∼n−n\sim n - n” no significa nada: los equivalentes no se pueden restar. Desarrollemos en su lugar:

n2+n−n=n(1+1n−1)=n(12n−18n2+O(1n3))=12−18n+O(1n2):\sqrt{n^2 + n} - n = n\Bigl(\sqrt{1 + \tfrac1n} - 1\Bigr) = n\Bigl(\frac{1}{2n} - \frac{1}{8n^2} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr)\Bigr) = \frac12 - \frac{1}{8n} + O\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr) :

el límite es 12\frac12, con la velocidad de aproximación 18n\frac1{8n} de regalo. El mecanismo merece nombre: una diferencia de dos cantidades grandes equivalentes vive por completo en sus términos siguientes, así que hay que desarrollar hasta el primer orden en el que ambos miembros difieren, arrastrando el resto para certificar que a ese orden no sobrevive nada más.

Ejemplo 6.10 (Una comparación divergente, resuelta)

Para f(t)=1tln⁡tf(t) = \frac{1}{t\ln t} sobre [2, +∞)\intco{2}{+\infty} (continua, positiva y decreciente): ∫2xf=ln⁡ln⁡x−ln⁡ln⁡2→∞\int_2^x f = \ln\ln x - \ln\ln 2 \to \infty, luego por el Teorema 6.6 (2),

∑k=2n1kln⁡k=ln⁡ln⁡n+C+o(1)\sum_{k=2}^{n}\frac{1}{k\ln k} = \ln\ln n + C + o(1)

para cierta constante CC. Dos lecciones. Primera: la divergencia es real pero glacial; la suma parcial supera 44 por primera vez hacia n≈ee4−Cn \approx \eu^{\eu^{4 - C}}, astronómicamente grande. Segunda: la forma ln⁡ln⁡n\ln\ln n la ha entregado una primitiva, no una conjetura; para términos monótonos, la integral es el dispositivo canónico de suma, y la constante CC —como la γ\gamma de Euler— es la memoria de los primeros términos.

6.3 La fórmula de Stirling

Lema 6.11 (Integrales de Wallis, revisitadas)

Sea Wn=∫0π/2sin⁡nt  ⁣dtW_n = \int_0^{\pi/2} \sin^n t\,\dd t. Entonces nWnWn−1=π2nW_nW_{n-1} = \frac\pi2 para n≥1n \geq 1, la sucesión (Wn)(W_n) decrece y Wn∼π2nW_n \sim \sqrt{\dfrac{\pi}{2n}}.

Demostración. La integración por partes da nWn=(n−1)Wn−2nW_n = (n-1)W_{n-2} (n≥2n \geq 2), luego nWnWn−1nW_nW_{n-1} es constante en nn e igual a 1⋅W1W0=π21 \cdot W_1 W_0 = \frac\pi2. Decrecimiento: sin⁡n+1≤sin⁡n\sin^{n+1} \leq \sin^n sobre [0, π2]\intcc{0}{\frac\pi2}. El encaje, en detalle: la monotonía da Wn+1≤Wn≤Wn−1W_{n+1} \leq W_n \leq W_{n-1} y, dividiendo por Wn−1>0W_{n-1} > 0,

nn+1=Wn+1Wn−1≤WnWn−1≤1,\frac{n}{n+1} = \frac{W_{n+1}}{W_{n-1}} \leq \frac{W_n}{W_{n-1}} \leq 1 ,

donde la identidad de la izquierda sale de la recurrencia en el índice n+1n + 1. Ambas cotas tienden a 11: Wn∼Wn−1W_n \sim W_{n-1}, de donde

nWn2∼nWnWn−1=π2⟹Wn∼π2n.nW_n^2 \sim nW_nW_{n-1} = \frac\pi2 \qquad\Longrightarrow\qquad W_n \sim \sqrt{\frac{\pi}{2n}} .

∎

Ejemplo 6.12 (Las primeras integrales de Wallis)

A partir de W0=π2W_0 = \frac\pi2, W1=1W_1 = 1 y la recurrencia nWn=(n−1)Wn−2nW_n = (n-1)W_{n-2}:

W2=π4,W3=23,W4=3π16,W5=815,W6=5π32.W_2 = \frac\pi4, \qquad W_3 = \frac23, \qquad W_4 = \frac{3\pi}{16}, \qquad W_5 = \frac{8}{15}, \qquad W_6 = \frac{5\pi}{32}.

Los índices pares llevan un π\pi y los impares son racionales: los dos productos entrelazados de las formas cerradas. Numéricamente, W6≈0.4909W_6 \approx 0.4909 frente al valor asintótico π/12≈0.5116\sqrt{\pi/12} \approx 0.5116: ya en n=6n = 6 el equivalente está a menos del 5 %5\,\%, y la identidad del producto es exacta para todo nn: 6 W6W5=6⋅5π32⋅815=π26\,W_6W_5 = 6\cdot\frac{5\pi}{32}\cdot\frac8{15} = \frac\pi2. Tablas pequeñas como esta son la manera más barata de cazar un desliz algebraico antes de que infecte un argumento asintótico.

Teorema 6.13 (Stirling)

n!  ∼  2πn (ne) ⁣n.n! \;\sim\; \sqrt{2\pi n}\, \Bigl(\frac{n}{\eu}\Bigr)^{\!n} .

Demostración. Paso 1: n!∼Cn (n/e)nn! \sim C \sqrt n\, (n/\eu)^n para cierta constante C>0C > 0. Pongamos

dn=ln⁡(n!)−(n+12)ln⁡n+n.d_n = \ln(n!) - \Bigl(n + \frac12\Bigr)\ln n + n .

Entonces

dn−dn+1=(n+12)ln⁡n+1n−1=(n+12)(1n−12n2+13n3+o(n−3))−1=112n2+o(1n2),d_n - d_{n+1} = \Bigl(n + \frac12\Bigr) \ln\frac{n+1}{n} - 1 = \Bigl(n + \frac12\Bigr)\Bigl(\frac1n - \frac{1}{2n^2} + \frac{1}{3n^3} + o\bigl(n^{-3}\bigr)\Bigr) - 1 = \frac{1}{12n^2} + o\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr),

por el desarrollo de Taylor de ln⁡(1+1n)\ln(1 + \frac1n). La serie ∑(dn−dn+1)\sum (d_n - d_{n+1}) converge, pues, absolutamente (comparación con ∑n−2\sum n^{-2}), de modo que (dn)(d_n) converge, digamos a dd; exponenciando, n!∼Cn (n/e)nn! \sim C\sqrt n\,(n/\eu)^n con C=edC = \eu^{d}.

Paso 2: C=2πC = \sqrt{2\pi} mediante Wallis. La forma cerrada W2p=(2p)!4p(p!)2⋅π2W_{2p} = \frac{(2p)!}{4^p (p!)^2}\cdot\frac\pi2 (procedente de la recurrencia, cálculo del primer año rehecho en el marco del Lema 6.11) se combina con el paso 1:

W2p∼C2p (2p/e)2p4p (Cp (p/e)p)2⋅π2=2pC p⋅π2=πC⋅12p.W_{2p} \sim \frac{C\sqrt{2p}\,(2p/\eu)^{2p}} {4^p\,\bigl(C\sqrt p\,(p/\eu)^p\bigr)^2}\cdot\frac{\pi}{2} = \frac{\sqrt{2p}}{C\,p}\cdot\frac{\pi}{2} = \frac{\pi}{C}\cdot\frac{1}{\sqrt{2p}} .

Comparando con W2p∼π4pW_{2p} \sim \sqrt{\frac{\pi}{4p}} (Lema 6.11): la igualdad πC2p=π4p (1+o(1))\frac{\pi}{C\sqrt{2p}} = \sqrt{\frac{\pi}{4p}}\,(1 + o(1)) obliga a C=π4p2p π=2πC = \pi \sqrt{\frac{4p}{2p\,\pi}} = \sqrt{2\pi}. ∎

Ejemplo 6.14 (Coeficiente binomial central)

(2nn)=(2n)!(n!)2∼4πn (2n/e)2n2πn (n/e)2n=4nπn:\binom{2n}{n} = \frac{(2n)!}{(n!)^2} \sim \frac{\sqrt{4\pi n}\,(2n/\eu)^{2n}}{2\pi n\,(n/\eu)^{2n}} = \frac{4^n}{\sqrt{\pi n}} :

la probabilidad de que un paseo aleatorio simétrico vuelva a 00 en el instante 2n2n es ∼1πn\sim \frac{1}{\sqrt{\pi n}}, un anuncio del Capítulo 22.

Observación 6.15 (Perspectivas dentro de este volumen)

Todos los capítulos cuantitativos que vienen hablan la lengua de este. El Capítulo 7 clasifica las series comparando sus términos con la escala n−α(ln⁡n)−βn^{-\alpha}(\ln n)^{-\beta}, y su problema de fin de semana cartografía por completo esa frontera. El Capítulo 9 hace lo mismo con las integrales impropias, con la escala idéntica en la variable continua. El Capítulo 11 calcula radios de convergencia a partir de lim sup⁡∣an∣1/n\limsup\abs{a_n}^{1/n}, un ejercicio de equivalentes de raíces nn-ésimas donde Stirling es la clave habitual (n!n∼ne\sqrt[n]{n!} \sim \frac n\eu, Ejercicio 6.4). Y los capítulos de probabilidad cobran Stirling directamente: las estimaciones locales del Capítulo 22 para coeficientes binomiales son el Ejemplo 6.14 y el Ejemplo 6.21 palabra por palabra. La asintótica no es aquí un capítulo: es el acento del volumen.

Método 6.16 (Lista de comprobación del arranque sucesivo)

Antes de fiarse de un desarrollo obtenido por arranques sucesivos, audítense cuatro puntos. (1) Primero la existencia: la raíz o la sucesión ha de quedar fijada (monotonía, valores intermedios) antes de todo desarrollo; los símbolos sin referente se desarrollan maravillosamente y no significan nada. (2) Un orden por pasada: cada sustitución solo es fiable hasta el orden de la estimación introducida; extraer dos términos nuevos de una sola pasada es la fuente clásica de coeficientes erróneos. (3) Los restos viajan con nosotros: arrástrese el o(⋅)o(\cdot) por todos los pasos algebraicos y déjese la absorción (los términos menores tragados por los restos mayores) para el final, de forma explícita. (4) Auditoría numérica: evalúese en un valor honesto de nn; un error de coeficiente sobrevive a una nueva deducción algebraica con sorprendente frecuencia, y casi nunca sobrevive a la aritmética.

Observación 6.17 (Errores frecuentes)

(i) Los equivalentes se suman mal: de un∼n+ln⁡nu_n \sim n + \ln n y vn∼−nv_n \sim -n no puede concluirse un+vn∼ln⁡nu_n + v_n \sim \ln n; las cancelaciones exigen desarrollos con restos explícitos y nunca equivalentes a secas. (ii) No hay que exponenciar nunca una equivalencia: n+1∼nn + 1 \sim n pero en+1≁en\eu^{n+1} \not\sim \eu^n; la dirección segura es tomar logaritmos de equivalentes que tienden a +∞+\infty (problema de fin de semana de este capítulo, pregunta 24). (iii) Un desarrollo asintótico va unido a una escala: escribir f=1x+o(1x2)f = \frac1x + o\bigl(\frac1{x^2}\bigr) afirma más que f=1x+o(1x)f = \frac1x + o\bigl(\frac1x\bigr), y mezclar ambas cosas invalida el álgebra posterior. (iv) En los arranques sucesivos hay que sustituir el desarrollo actual entero, resto incluido; descartar un o(⋅)o(\cdot) a mitad de pasada produce coeficientes plausibles pero falsos. (v) La comparación serie–integral necesita la monotonía: para términos oscilantes falla sin más (compárese ∑sin⁡kk\sum\frac{\sin k}k, Capítulo 7).

Ejemplo 6.18 (Stirling en números)

Para n=10n = 10: la fórmula da 20π (10/e)10≈3 598 696\sqrt{20\pi}\,(10/\eu)^{10} \approx 3\,598\,696 frente a 10!=3 628 80010! = 3\,628\,800, con error relativo 8.3⋅10−38.3\cdot10^{-3}, notable para un enunciado “asintótico” en n=10n = 10. El error tiene estructura —el refinamiento exacto n!=2πn (n/e)n(1+112n+O(n−2))n! = \sqrt{2\pi n}\,(n/\eu)^n\bigl(1 + \frac1{12n} + O(n^{-2})\bigr)— y su primera corrección 1120≈8.3⋅10−3\frac1{120} \approx 8.3\cdot10^{-3} explica casi exactamente la discrepancia observada. La maquinaria de Euler–Maclaurin del problema de fin de semana es precisamente la fuente sistemática de esos términos correctores.

Observación 6.19 (Dónde se usa este capítulo)

La comparación asintótica es la gramática de todo lo cuantitativo que viene después: los criterios de convergencia y el panorama de Bertrand del Capítulo 7, los criterios de integrabilidad del Capítulo 9, los cálculos de radio de convergencia del Capítulo 11 y los teoremas límite del Capítulo 22 (donde Stirling mueve las estimaciones de de Moivre–Laplace). El volumen del tercer año industrializa la única idea que aquí demostramos a mano —extraer el término principal y acotar el resto— convirtiéndola en el método de Laplace y en la convergencia dominada.

Ejemplo 6.20 (Una integral comparada consigo misma: ∫2x ⁣dtln⁡t\int_2^x \frac{\dd t}{\ln t})

La caja de herramientas de comparación también funciona con integrales. Sea F(x)=∫2x ⁣dtln⁡tF(x) = \int_2^x\frac{\dd t}{\ln t} (el integrando es continuo sobre [2, ∞)\intco2\infty). Integrando por partes:

F(x)=[tln⁡t]2x+∫2x ⁣dt(ln⁡t)2=xln⁡x+O(∫2x ⁣dt(ln⁡t)2)+O(1),F(x) = \Bigl[\frac{t}{\ln t}\Bigr]_2^x + \int_2^x\frac{\dd t}{(\ln t)^2} = \frac{x}{\ln x} + O\Bigl(\int_2^x\frac{\dd t}{(\ln t)^2}\Bigr) + O(1),

y la integral restante es o(xln⁡x)o\bigl(\frac{x}{\ln x}\bigr): pártase en x\sqrt x y acótese mediante

∫2x ⁣dt(ln⁡t)2≤xy∫xx ⁣dt(ln⁡t)2≤x(ln⁡x)2=4x(ln⁡x)2.\int_2^{\sqrt x}\frac{\dd t}{(\ln t)^2} \leq \sqrt x \qquad\text{y}\qquad \int_{\sqrt x}^{x}\frac{\dd t}{(\ln t)^2} \leq \frac{x}{(\ln\sqrt x)^2} = \frac{4x}{(\ln x)^2} .

Por tanto F(x)∼xln⁡xF(x) \sim \frac{x}{\ln x}. Quien haya visto el teorema de los números primos en el problema de fin de semana de este capítulo reconocerá a FF: es la integral logarítmica, el mejor estimador de π(x)\pi(x), y el cálculo muestra que coincide con xln⁡x\frac{x}{\ln x} en primer orden.

Ejemplo 6.21 (Stirling sobre un binomial desequilibrado)

La misma rutina de tres factoriales que en el Ejemplo 6.14 da, para (3nn)=(3n)!n! (2n)!\binom{3n}{n} = \frac{(3n)!}{n!\,(2n)!}:

(3nn)∼6πn (3n/e)3n2πn (n/e)n⋅4πn (2n/e)2n=34πn (274) ⁣n.\binom{3n}{n} \sim \frac{\sqrt{6\pi n}\,(3n/\eu)^{3n}} {\sqrt{2\pi n}\,(n/\eu)^{n}\cdot\sqrt{4\pi n}\,(2n/\eu)^{2n}} = \sqrt{\frac{3}{4\pi n}}\, \Bigl(\frac{27}{4}\Bigr)^{\!n} .

La tasa exponencial 274=3322\frac{27}4 = \frac{3^3}{2^2} es e3n H(1/3)\eu^{3n\, H(1/3)} en la notación de entropía de la teoría de la información: los binomiales desequilibrados crecen estrictamente más despacio que el central 4n4^n por cada dos pasos —aquí, (27/4)1/3≈1.89<2(27/4)^{1/3} \approx 1.89 < 2 por paso—. Toda asintótica de binomiales en combinatoria y en probabilidad (Capítulo 22) es este mismo cálculo con otros pesos.

6.4 Sucesiones definidas implícitamente

Método 6.22

Para hallar la asintótica de las soluciones xnx_n de una ecuación F(x,n)=0F(x, n) = 0:

  1. Localizar: demuéstrese la existencia y la unicidad de xnx_n en un intervalo determinado (monotonía, teorema del valor intermedio) y hállese su comportamiento tosco (límite, orden de crecimiento).
  2. Arrancar: sustitúyase la forma tosca xn=(teˊrmino principal)(1+εn)x_n = (\text{término principal})(1 + \varepsilon_n) en la ecuación y despéjese el orden siguiente de εn\varepsilon_n; repítase, refinando un orden por pasada.

Ejemplo 6.23

Para n≥1n \geq 1, la ecuación tan⁡x=x\tan x = x tiene exactamente una solución xnx_n en (nπ−π2, nπ+π2)\intoo{n\pi - \frac\pi2}{n\pi + \frac\pi2} (la función tan⁡x−x\tan x - x crece allí de −∞-\infty a +∞+\infty, pues su derivada es tan⁡2x≥0\tan^2 x \geq 0). Tosco: xn=nπ+π2−ynx_n = n\pi + \frac\pi2 - y_n con yn∈(0, π)y_n \in \intoo{0}{\pi}; como xn→∞x_n \to \infty y tan⁡xn=xn→+∞\tan x_n = x_n \to +\infty, xnx_n se acerca a la asíntota por la izquierda: yn→0y_n \to 0. Arranque: tan⁡xn=cot⁡yn=1tan⁡yn∼1yn\tan x_n = \cot y_n = \frac{1}{\tan y_n} \sim \frac{1}{y_n}, y la ecuación cot⁡yn=xn∼nπ\cot y_n = x_n \sim n\pi da yn∼1nπy_n \sim \frac{1}{n\pi}. Por tanto

xn=nπ+π2−1nπ+o(1n),x_n = n\pi + \frac\pi2 - \frac{1}{n\pi} + o\Bigl(\frac1n\Bigr),

y el proceso continúa hasta cualquier orden (Ejercicio 6.6).

Ejemplo 6.24 (Una segunda vuelta del método)

Resolvamos asintóticamente x+ln⁡x=nx + \ln x = n. Localizar: x↦x+ln⁡xx \mapsto x + \ln x crece de −∞-\infty a +∞+\infty sobre (0, +∞)\intoo{0}{+\infty}: hay una única raíz xnx_n, y xn→∞x_n \to \infty. Tosco: de ln⁡xn=o(xn)\ln x_n = o(x_n) resulta xn∼nx_n \sim n. Arranque: de xn=n−ln⁡xnx_n = n - \ln x_n y ln⁡xn=ln⁡n+o(1)\ln x_n = \ln n + o(1) (logaritmos de equivalentes, con ambos miembros →∞\to \infty):

xn=n−ln⁡n+o(1);x_n = n - \ln n + o(1) ;

una pasada más, con ln⁡xn=ln⁡(n−ln⁡n+o(1))=ln⁡n−ln⁡nn+o(ln⁡nn)\ln x_n = \ln\bigl(n - \ln n + o(1)\bigr) = \ln n - \frac{\ln n}{n} + o\bigl(\frac{\ln n}n\bigr):

xn=n−ln⁡n+ln⁡nn+o(ln⁡nn).x_n = n - \ln n + \frac{\ln n}{n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr).

(Comprobación en n=100n = 100: la raíz es x≈95.4415x \approx 95.4415; la fórmula de tres términos da 100−4.6052+0.0461=95.4409100 - 4.6052 + 0.0461 = 95.4409 y la de dos términos 95.394895.3948; cada pasada gana el orden previsto.) Mismo bucle, tercer paisaje: al método del Método 6.22 le da igual qué aspecto tenga la ecuación, con tal de que cada pasada aísle la incógnita dominante.

6.5 Ejercicios

Ejercicio 6.1 ★

Desarrolla en +∞+\infty, dos términos más allá del principal:

x2+x+1,ln⁡(x2+x)−2ln⁡x,x+sin⁡xx−ln⁡x.\sqrt{x^2 + x + 1} , \qquad \ln(x^2 + x) - 2\ln x, \qquad \frac{x + \sin x}{x - \ln x} .
Solución

Solución de Ejercicio 6.1.

x2+x+1=x1+1x+1x2=x+12+38⋅1x+o(1x)\sqrt{x^2 + x + 1} = x\sqrt{1 + \tfrac1x + \tfrac{1}{x^2}} = x + \frac12 + \frac38\cdot\frac1x + o\bigl(\frac1x\bigr) (desarrollo binomial: 12u−18u2\frac12 u - \frac18 u^2 con u=1x+1x2u = \frac1x + \frac{1}{x^2} da 12x+12x2−18x2=12x+38x2\frac{1}{2x} + \frac{1}{2x^2} - \frac{1}{8x^2} = \frac{1}{2x} + \frac{3}{8x^2}, y después se multiplica por xx).

ln⁡(x2+x)−2ln⁡x=ln⁡(1+1x)=1x−12x2+o(1x2)\ln(x^2 + x) - 2\ln x = \ln\bigl(1 + \tfrac1x\bigr) = \frac1x - \frac{1}{2x^2} + o\bigl(\frac{1}{x^2}\bigr).

Tercera función: desarrollemos cada factor,

x+sin⁡xx−ln⁡x=(1+sin⁡xx)(1+ln⁡xx+(ln⁡x)2x2+O((ln⁡x)3x3)).\frac{x + \sin x}{x - \ln x} = \Bigl(1 + \frac{\sin x}{x}\Bigr) \Bigl(1 + \frac{\ln x}{x} + \frac{(\ln x)^2}{x^2} + O\Bigl(\frac{(\ln x)^3}{x^3}\Bigr)\Bigr).

Ordenemos las contribuciones en la escala de +∞+\infty: ln⁡xx≫1x≥∣sin⁡xx∣≫(ln⁡x)2x2\frac{\ln x}{x} \gg \frac{1}{x} \geq \bigl|\frac{\sin x}{x}\bigr| \gg \frac{(\ln x)^2}{x^2}. Los dos términos que siguen al 11 principal son, por tanto, ln⁡xx\frac{\ln x}{x} y después el término de oscilación acotada sin⁡xx\frac{\sin x}{x}:

x+sin⁡xx−ln⁡x=1+ln⁡xx+sin⁡xx+O((ln⁡x)2x2).\frac{x + \sin x}{x - \ln x} = 1 + \frac{\ln x}{x} + \frac{\sin x}{x} + O\Bigl(\frac{(\ln x)^2}{x^2}\Bigr).

Ejercicio 6.2 ★

Da el carácter (convergencia o divergencia) y, en caso divergente, la asintótica principal de ∑k≤nkα\sum_{k \leq n} k^\alpha para α>−1\alpha > -1, α=−1\alpha = -1 y α<−1\alpha < -1, mediante el Teorema 6.6.

Solución

Solución de Ejercicio 6.2.

f(t)=tαf(t) = t^\alpha (t≥1t \geq 1).

α>−1\alpha > -1: divergencia y, por el Teorema 6.6 (2), ∑k≤nkα=nα+1α+1+C+o(1)\sum_{k\leq n} k^\alpha = \frac{n^{\alpha+1}}{\alpha+1} + C + o(1) si α<0\alpha < 0 (donde ff decrece); para α≥0\alpha \geq 0 (ff creciente), el mismo encuadre con las desigualdades invertidas da ∑k≤nkα∼nα+1α+1\sum_{k \leq n} k^\alpha \sim \frac{n^{\alpha + 1}}{\alpha + 1}.

α=−1\alpha = -1: Hn=ln⁡n+γ+o(1)H_n = \ln n + \gamma + o(1) (Ejemplo 6.7).

α<−1\alpha < -1: convergencia, con resto ∑k>nkα∼nα+1−(α+1)\sum_{k > n} k^\alpha \sim \frac{n^{\alpha+1}}{-(\alpha+1)} por el encuadre (1) (ambas cotas integrales son equivalentes a ese valor).

Ejercicio 6.3 ★★

Demuestra que Hn=ln⁡n+γ+12n+o(1n)H_n = \ln n + \gamma + \frac{1}{2n} + o\bigl(\frac1n\bigr). (Estudia vn=Hn−ln⁡n−γv_n = H_n - \ln n - \gamma: prueba que vn−vn+1=12n2+O(n−3)v_n - v_{n+1} = \frac{1}{2n^2} + O(n^{-3}) y suma la cola, comparando con ∑k≥n12k2∼12n\sum_{k \geq n} \frac{1}{2k^2} \sim \frac{1}{2n}, Teorema 6.6 (1).)

Solución

Solución de Ejercicio 6.3.

Sea vn=Hn−ln⁡n−γ→0v_n = H_n - \ln n - \gamma \to 0. Entonces

vn−vn+1=ln⁡n+1n−1n+1=(1n−12n2)−(1n−1n2)+O(1n3)=12n2+O(1n3),v_n - v_{n+1} = \ln\frac{n+1}{n} - \frac{1}{n+1} = \Bigl(\frac1n - \frac{1}{2n^2}\Bigr) - \Bigl(\frac1n - \frac{1}{n^2}\Bigr) + O\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr) = \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr),

usando 1n+1=1n−1n2+O(n−3)\frac{1}{n+1} = \frac1n - \frac{1}{n^2} + O(n^{-3}). Como vn→0v_n \to 0, sumando telescópicamente la cola:

vn=∑k≥n(vk−vk+1)=∑k≥n(12k2+O(k−3))=12n+O(1n2),v_n = \sum_{k \geq n} (v_k - v_{k+1}) = \sum_{k\geq n} \Bigl(\frac{1}{2k^2} + O(k^{-3})\Bigr) = \frac{1}{2n} + O\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr),

por el Teorema 6.6 (1) aplicado a t−2t^{-2} (resto ∼1n\sim \frac1n, dividido por dos) y a t−3t^{-3}. Por tanto Hn=ln⁡n+γ+12n+o(1n)H_n = \ln n + \gamma + \frac{1}{2n} + o(\frac1n).

Ejercicio 6.4 ★★

Usando Stirling, halla equivalentes de (3n)!(n!)3\dfrac{(3n)!}{(n!)^3};   n!nn\;\dfrac{n!}{n^n};   n!n\;\sqrt[n]{n!} (en la forma ne(1+o(1))\frac n\eu(1 + o(1)), precisada a dos términos).

Solución

Solución de Ejercicio 6.4.

Stirling tres veces:

(3n)!(n!)3∼6πn (3n/e)3n(2πn)3/2 (n/e)3n=6  27 n2πn⋅12πn⋅2πn  =3 27n2πn.\frac{(3n)!}{(n!)^3} \sim \frac{\sqrt{6\pi n}\,(3n/\eu)^{3n}} {(2\pi n)^{3/2}\,(n/\eu)^{3n}} = \frac{\sqrt{6}\; 27^{\,n}}{2\pi n} \cdot \frac{1}{\sqrt{2\pi n}}\cdot\sqrt{2\pi n}\; = \frac{\sqrt3\,27^n}{2\pi n} .

(Con cuidado: 6πn(2πn)3/2=6(2πn)2πnπn=32πn\frac{\sqrt{6\pi n}}{(2\pi n)^{3/2}} = \frac{\sqrt6}{(2\pi n)\sqrt{2\pi n}}\sqrt{\pi n} = \frac{\sqrt3}{2\pi n}.)

n!nn∼2πn e−n\dfrac{n!}{n^n} \sim \sqrt{2\pi n}\,\eu^{-n}.

n!n=exp⁡(ln⁡n!n)\sqrt[n]{n!} = \exp\bigl(\frac{\ln n!}{n}\bigr) con ln⁡n!=nln⁡n−n+12ln⁡(2πn)+o(1)\ln n! = n\ln n - n + \frac12\ln(2\pi n) + o(1):

n!n=exp⁡(ln⁡n−1+ln⁡(2πn)2n+o(ln⁡nn))=ne(1+ln⁡(2πn)2n+o(ln⁡nn)).\sqrt[n]{n!} = \exp\Bigl(\ln n - 1 + \frac{\ln(2\pi n)}{2n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)\Bigr) = \frac{n}{\eu}\Bigl(1 + \frac{\ln(2\pi n)}{2n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)\Bigr).

Ejercicio 6.5 ★★

Para n≥2n \geq 2, demuestra que xn+x=1x^n + x = 1 tiene una única solución xn∈(0, 1)x_n \in \intoo{0}{1}, que xn→1x_n \to 1, y establece

xn=1−ln⁡nn+o(ln⁡nn).x_n = 1 - \frac{\ln n}{n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr).

(A partir de xnn=1−xnx_n^n = 1 - x_n: toma logaritmos y arranca con xn=1−εnx_n = 1 - \varepsilon_n.)

Solución

Solución de Ejercicio 6.5.

g(x)=xn+x−1g(x) = x^n + x - 1 crece estrictamente sobre [0, 1]\intcc{0}{1} de −1-1 a 11: hay una única raíz xnx_n. Como xnn=1−xn∈(0, 1)x_n^n = 1 - x_n \in \intoo{0}{1}: si xn≤c<1x_n \leq c < 1 a lo largo de una subsucesión, entonces xnn≤cn→0x_n^n \leq c^n \to 0, luego 1−xn→01 - x_n \to 0, en contradicción con xn≤cx_n \leq c. Por tanto xn→1x_n \to 1.

Escribamos xn=1−εnx_n = 1 - \varepsilon_n con εn→0+\varepsilon_n \to 0^+. La ecuación se lee (1−εn)n=εn(1 - \varepsilon_n)^n = \varepsilon_n, es decir,

nln⁡(1−εn)=ln⁡εn⟹−nεn(1+o(1))=ln⁡εn.n\ln(1 - \varepsilon_n) = \ln \varepsilon_n \quad\Longrightarrow\quad -n\varepsilon_n\bigl(1 + o(1)\bigr) = \ln\varepsilon_n .

Así pues, nεn=−ln⁡εn (1+o(1))→+∞n\varepsilon_n = -\ln\varepsilon_n\,(1 + o(1)) \to +\infty y, tomando logaritmos de nuevo: ln⁡n+ln⁡εn=ln⁡(−ln⁡εn)+o(1)\ln n + \ln\varepsilon_n = \ln(-\ln\varepsilon_n) + o(1). Como ln⁡(−ln⁡εn)=o(ln⁡(1/εn))\ln(-\ln \varepsilon_n) = o(\ln(1/\varepsilon_n)), esto da ln⁡εn∼−ln⁡n\ln\varepsilon_n \sim -\ln n, de donde εn=−ln⁡εnn(1+o(1))∼ln⁡nn\varepsilon_n = \frac{-\ln\varepsilon_n}{n}(1 + o(1)) \sim \frac{\ln n}{n}:

xn=1−ln⁡nn+o(ln⁡nn).x_n = 1 - \frac{\ln n}{n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr) .

Ejercicio 6.6 ★★

Lleva el Ejemplo 6.23 un orden más allá:

xn=nπ+π2−1nπ+12n2π+o(1n2).x_n = n\pi + \frac\pi2 - \frac{1}{n\pi} + \frac{1}{2n^2\pi} + o\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr).

(Escribe cot⁡yn=xn\cot y_n = x_n exactamente, desarrolla cot⁡y=1y−y3+o(y)\cot y = \frac1y - \frac y3 + o(y) y xn=nπ(1+12n−… )x_n = n\pi(1 + \frac{1}{2n} - \dots), e identifica.)

Solución

Solución de Ejercicio 6.6.

Relación exacta: cot⁡yn=xn=nπ+π2−yn\cot y_n = x_n = n\pi + \frac\pi2 - y_n, con yn∼1nπy_n \sim \frac{1}{n\pi} (Ejemplo 6.23). Desarrollemos cot⁡y=1y−y3+O(y3)\cot y = \frac1y - \frac y3 + O(y^3):

1yn−yn3+O(yn3)=nπ+π2−yn⟹1yn=nπ+π2+O(1n),\frac{1}{y_n} - \frac{y_n}{3} + O(y_n^3) = n\pi + \frac\pi2 - y_n \quad\Longrightarrow\quad \frac{1}{y_n} = n\pi + \frac\pi2 + O\Bigl(\frac1n\Bigr),

(los términos −yn-y_n y −yn3-\frac{y_n}{3} son O(1n)O(\frac1n)). Invirtiendo:

yn=1nπ⋅11+12n+O(n−2)=1nπ(1−12n+O(1n2))=1nπ−12n2π+O(1n3).y_n = \frac{1}{n\pi}\cdot\frac{1}{1 + \frac{1}{2n} + O(n^{-2})} = \frac{1}{n\pi}\Bigl(1 - \frac{1}{2n} + O\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr)\Bigr) = \frac{1}{n\pi} - \frac{1}{2n^2\pi} + O\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr).

Por tanto

xn=nπ+π2−yn=nπ+π2−1nπ+12n2π+o(1n2).x_n = n\pi + \frac{\pi}{2} - y_n = n\pi + \frac\pi2 - \frac{1}{n\pi} + \frac{1}{2n^2\pi} + o\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr).

Ejercicio 6.7 ★★

Determina lim⁡n→∞1n!∑k=0nk!\lim_{n\to\infty} \dfrac{1}{n!}\sum_{k=0}^{n} k! (acota la suma de todos los términos salvo los dos últimos) y deduce el desarrollo asintótico ∑k≤nk!=n!(1+1n+O(n−2))\sum_{k \leq n} k! = n!\bigl(1 + \frac1n + O(n^{-2})\bigr).

Solución

Solución de Ejercicio 6.7.

Separemos los dos términos mayores:

∑k=0nk!=n!+(n−1)!+∑k≤n−2k!,∑k≤n−2k!≤(n−1) (n−2)!=(n−1)!.\sum_{k=0}^{n} k! = n! + (n-1)! + \sum_{k \leq n-2} k! , \qquad \sum_{k\leq n-2} k! \leq (n-1)\,(n-2)! = (n-1)! .

Luego 1≤1n!∑k!≤1+2n1 \leq \frac{1}{n!}\sum k! \leq 1 + \frac{2}{n}: el límite es 11. Afinando: (n−1)!n!=1n\frac{(n-1)!}{n!} = \frac1n, y la cota tosca ∑k≤n−2k!≤(n−1)!\sum_{k \leq n-2}k! \leq (n-1)! puede refinarse del mismo modo: ∑k≤n−2k!=(n−2)! (1+O(1n))=O(n!n2)\sum_{k\leq n-2} k! = (n-2)!\,(1 + O(\frac1n)) = O\bigl(\frac{n!}{n^2}\bigr). Por tanto

∑k=0nk!=n!(1+1n+O(1n2)).\sum_{k=0}^{n} k! = n!\Bigl(1 + \frac1n + O\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr)\Bigr).

Ejercicio 6.8 ★★★

Sea u0>0u_0 > 0 y un+1=un+1unu_{n+1} = u_n + \dfrac{1}{u_n}. Demuestra que un→∞u_n \to \infty, después que un∼2nu_n \sim \sqrt{2n} (estudia un2u_n^2: sus incrementos son 2+un−22 + u_n^{-2}; suma), y refina:

un=2n(1+ln⁡n8n+o(ln⁡nn)).u_n = \sqrt{2n}\Bigl(1 + \frac{\ln n}{8n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)\Bigr).

(De un2=2n+∑k<nuk−2+u02u_n^2 = 2n + \sum_{k<n} u_k^{-2} + u_0^2 y uk2∼2ku_k^2 \sim 2k: la suma vale ∼12ln⁡n\sim \frac12\ln n por el Teorema 6.6.)

Solución

Solución de Ejercicio 6.8.

(un)(u_n) crece; si estuviera acotada convergería a un ℓ\ell con ℓ=ℓ+1ℓ\ell = \ell + \frac1\ell: absurdo. Luego un→∞u_n \to \infty.

Cuadrados: un+12=un2+2+un−2u_{n+1}^2 = u_n^2 + 2 + u_n^{-2}, de donde

un2=u02+2n+∑k=0n−11uk2.u_n^2 = u_0^2 + 2n + \sum_{k=0}^{n-1} \frac{1}{u_k^2} .

La suma es o(n)o(n) (los términos tienden a 00; Cesàro), luego un2∼2nu_n^2 \sim 2n y un∼2nu_n \sim \sqrt{2n}.

Refinamiento: 1uk2∼12k\frac{1}{u_k^2} \sim \frac{1}{2k}, así que por comparación (Teorema 6.6, o mediante equivalentes de sumas parciales de series positivas) ∑k<nuk−2∼12ln⁡n\sum_{k<n} u_k^{-2} \sim \frac12 \ln n. Por tanto

un2=2n+ln⁡n2 (1+o(1))+O(1)⟹un=2n1+ln⁡n4n+o(ln⁡nn)=2n(1+ln⁡n8n+o(ln⁡nn)).u_n^2 = 2n + \frac{\ln n}{2}\,(1 + o(1)) + O(1) \quad\Longrightarrow\quad u_n = \sqrt{2n}\sqrt{1 + \frac{\ln n}{4n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)} = \sqrt{2n}\Bigl(1 + \frac{\ln n}{8n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)\Bigr).

Ejercicio 6.9 ★★★

(Una suma de Riemann con truco) Determina el comportamiento asintótico de

Sn=∑k=1n1n+kln⁡n.S_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n + k\ln n} .

(Saca factor nn: Sn=1n∑k(1+kln⁡nn)−1S_n = \frac1n\sum_k \bigl(1 + \frac{k\ln n}{n}\bigr)^{-1}; reconoce una suma de tipo Riemann con un parámetro t=ln⁡nt = \ln n que varía lentamente, calcula ∫01 ⁣du1+tu=ln⁡(1+t)t\int_0^1 \frac{\dd u}{1 + tu} = \frac{\ln(1+t)}{t} y concluye Sn∼ln⁡ln⁡nln⁡nS_n \sim \frac{\ln\ln n}{\ln n}.)

Solución

Solución de Ejercicio 6.9.

Saquemos factor nn y pongamos t=ln⁡nt = \ln n:

Sn=1n∑k=1n11+t kn.S_n = \frac1n \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{1 + t\,\frac kn} .

Para tt fijo, la suma es una suma de Riemann de u↦11+tuu \mapsto \frac{1}{1 + tu} sobre [0, 1]\intcc{0}{1}; la función es monótona en uu, de modo que la suma de Riemann queda encuadrada por la integral desplazada en un paso de malla:

∫01 ⁣du1+tu−1n≤Sn≤∫01 ⁣du1+tu+1n\int_0^1 \frac{\dd u}{1 + tu} - \frac1n \leq S_n \leq \int_0^1 \frac{\dd u}{1 + tu} + \frac1n

(comparación de las sumas de Riemann de una función monótona con su integral, válida para cada nn con su propio t=ln⁡nt = \ln n). Ahora bien, ∫01 ⁣du1+tu=ln⁡(1+t)t\int_0^1 \frac{\dd u}{1 + tu} = \frac{\ln(1 + t)}{t} y 1n=o(ln⁡tt)\frac1n = o\bigl(\frac{\ln t}{t}\bigr); por tanto

Sn=ln⁡(1+ln⁡n)ln⁡n+O(1n)  ∼  ln⁡ln⁡nln⁡n.S_n = \frac{\ln(1 + \ln n)}{\ln n} + O\Bigl(\frac 1n\Bigr) \;\sim\; \frac{\ln\ln n}{\ln n} .

Ejercicio 6.10 ★

Demuestra la identidad (ln⁡n)ln⁡n=nln⁡ln⁡n(\ln n)^{\ln n} = n^{\ln\ln n} y ordena después las siguientes expresiones en orden creciente por o(⋅)o(\cdot) en el infinito, con demostración: n2n^2, (ln⁡n)ln⁡n(\ln n)^{\ln n}, 2n2^n, n!n!, nnn^n.

Solución

Solución de Ejercicio 6.10.

Identidad: (ln⁡n)ln⁡n=eln⁡n ln⁡ln⁡n=(eln⁡n)ln⁡ln⁡n=nln⁡ln⁡n(\ln n)^{\ln n} = \eu^{\ln n\,\ln\ln n} = \bigl(\eu^{\ln n}\bigr)^{\ln\ln n} = n^{\ln\ln n}. Orden: comparemos logaritmos. ln⁡(n2)=2ln⁡n\ln(n^2) = 2\ln n; ln⁡((ln⁡n)ln⁡n)=ln⁡nln⁡ln⁡n\ln\bigl((\ln n)^{\ln n}\bigr) = \ln n\ln\ln n; ln⁡(2n)=nln⁡2\ln(2^n) = n\ln2; ln⁡(n!)=nln⁡n−n+O(ln⁡n)\ln(n!) = n\ln n - n + O(\ln n) (Stirling, o el encuadre más tosco ln⁡n!∼nln⁡n\ln n! \sim n\ln n); ln⁡(nn)=nln⁡n\ln(n^n) = n\ln n. Como 2ln⁡n=o(ln⁡nln⁡ln⁡n)2\ln n = o(\ln n\ln\ln n), ln⁡nln⁡ln⁡n=o(n)\ln n\ln\ln n = o(n), nln⁡2=o(nln⁡n−n)n\ln 2 = o(n\ln n - n), y nln⁡n−n∼nln⁡nn \ln n - n \sim n\ln n pero n!/nn→0n! / n^n \to 0 (la diferencia de logaritmos es −n+O(ln⁡n)→−∞-n + O(\ln n) \to -\infty):

n2=o((ln⁡n)ln⁡n),(ln⁡n)ln⁡n=o(2n),2n=o(n!),n!=o(nn).n^2 = o\bigl((\ln n)^{\ln n}\bigr),\quad (\ln n)^{\ln n} = o(2^n),\quad 2^n = o(n!),\quad n! = o(n^n).

(En cada paso: la diferencia de logaritmos tiende a +∞+\infty, luego el cociente tiende a 00.)

Ejercicio 6.11 ★★

(Cola de ∑1/k2\sum 1/k^2, dos términos) Usando la suma telescópica exacta ∑k>n1k(k+1)=1n+1\sum_{k > n} \frac{1}{k(k+1)} = \frac{1}{n+1} y la descomposición 1k2=1k(k+1)+1k2(k+1)\frac1{k^2} = \frac{1}{k(k+1)} + \frac{1}{k^2(k+1)}, demuestra que

∑k>n1k2=1n−12n2+O(1n3).\sum_{k > n} \frac{1}{k^2} = \frac1n - \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr).
Solución

Solución de Ejercicio 6.11.

Descompongamos 1k2=1k(k+1)+1k2(k+1)\frac1{k^2} = \frac1{k(k+1)} + \frac1{k^2(k+1)} y sumemos para k>nk > n:

∑k>n1k2=1n+1+∑k>n1k2(k+1),\sum_{k>n}\frac1{k^2} = \frac1{n+1} + \sum_{k>n}\frac{1}{k^2(k+1)} ,

donde la primera suma es telescópica exacta (1k(k+1)=1k−1k+1\frac1{k(k+1)} = \frac1k - \frac1{k+1}). Para la segunda: 1k2(k+1)=1k3+O(1k4)\frac{1}{k^2(k+1)} = \frac1{k^3} + O\bigl(\frac1{k^4}\bigr) (pues 1k2(k+1)−1k3=−1k3(k+1)\frac{1}{k^2(k+1)} - \frac1{k^3} = \frac{-1}{k^3(k+1)}), y por comparación integral ∑k>n1k3=12n2+O(1n3)\sum_{k>n}\frac1{k^3} = \frac1{2n^2} + O\bigl(\frac1{n^3}\bigr) y ∑k>n1k4=O(1n3)\sum_{k>n}\frac1{k^4} = O\bigl(\frac1{n^3}\bigr). Por tanto

∑k>n1k2=1n+1+12n2+O(1n3)=1n−1n2+12n2+O(1n3)=1n−12n2+O(1n3),\sum_{k>n}\frac1{k^2} = \frac1{n+1} + \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr) = \frac1n - \frac1{n^2} + \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr) = \frac1n - \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr),

usando 1n+1=1n−1n2+O(1n3)\frac1{n+1} = \frac1n - \frac1{n^2} + O\bigl(\frac1{n^3}\bigr).

Ejercicio 6.12 ★★★

Sea u0=12u_0 = \frac12 y un+1=un+e−unu_{n+1} = u_n + \eu^{-u_n}. Demuestra que un→∞u_n \to \infty y, poniendo vn=eunv_n = \eu^{u_n} y probando que vn+1=vn+1+12vn+O(vn−2)v_{n+1} = v_n + 1 + \frac{1}{2v_n} + O\bigl(v_n^{-2}\bigr), establece

un=ln⁡n+ln⁡n2n+O(1n).u_n = \ln n + \frac{\ln n}{2n} + O\Bigl(\frac1n\Bigr).
Solución

Solución de Ejercicio 6.12.

(un)(u_n) crece; si estuviera acotada convergería a un ℓ\ell finito con ℓ=ℓ+e−ℓ\ell = \ell + \eu^{-\ell}: imposible. Luego un→∞u_n \to \infty. Sea vn=eun→∞v_n = \eu^{u_n} \to \infty: entonces

vn+1=eun+e−un=vn e1/vn=vn(1+1vn+12vn2+O(vn−3))=vn+1+12vn+O(vn−2).v_{n+1} = \eu^{u_n + \eu^{-u_n}} = v_n\,\eu^{1/v_n} = v_n\Bigl(1 + \frac1{v_n} + \frac1{2v_n^2} + O\bigl(v_n^{-3}\bigr)\Bigr) = v_n + 1 + \frac{1}{2v_n} + O\bigl(v_n^{-2}\bigr).

Sumando primero vk+1−vk=1+O(1)v_{k+1} - v_k = 1 + O(1) se obtiene vn=n+O(n)v_n = n + O(n), de donde vn≥cnv_n \geq cn a partir de un índice; volviendo a sumar con 12vk=O(1k)\frac1{2v_k} = O(\frac1k) resulta vn=n+O(ln⁡n)v_n = n + O(\ln n). Una pasada más: 12vk=12k(1+O(ln⁡kk))\frac{1}{2v_k} = \frac{1}{2k}\bigl(1 + O\bigl(\tfrac{\ln k}k\bigr)\bigr), luego

vn=n+∑k<n12k+O(1)=n+ln⁡n2+O(1).v_n = n + \sum_{k<n}\frac1{2k} + O(1) = n + \frac{\ln n}2 + O(1).

Por último, un=ln⁡vn=ln⁡n+ln⁡(1+ln⁡n2n+O(1n))=ln⁡n+ln⁡n2n+O(1n)u_n = \ln v_n = \ln n + \ln\Bigl(1 + \frac{\ln n}{2n} + O\bigl(\tfrac1n\bigr)\Bigr) = \ln n + \frac{\ln n}{2n} + O\bigl(\tfrac1n\bigr).

6.6 Problema: arranques sucesivos, de Euler–Maclaurin a los primos

Una cantidad implícita o acumulada rara vez entrega su asintótica de una vez; se extrae en pasadas, cada una realimentando la estimación previa en la relación que la define. Este problema de fin de semana entrena ese bucle sobre ecuaciones nuevas, demuestra la fórmula de Euler–Maclaurin de primer orden (la mejora trapezoidal de la comparación serie–integral, con barras de error rigurosas), invierte xln⁡x=nx\ln x = n y cobra el cheque más famoso del método: a partir del teorema de los números primos, admitido, la ley asintótica pn∼nln⁡np_n \sim n\ln n del nn-ésimo primo.

Problema 6.1

Problema de fin de semana — la corrección de Euler–Maclaurin y la asintótica del nn-ésimo primo

Parte I — El bucle de arranque sobre una ecuación nueva.

  1. Demuestra la afirmación de unicidad de la Definición 6.2: si f=∑i≤kciφi+o(φk)=∑i≤kci′φi+o(φk)f = \sum_{i\leq k} c_i\varphi_i + o(\varphi_k) = \sum_{i \leq k} c_i'\varphi_i + o(\varphi_k) sobre la misma escala, entonces ci=ci′c_i = c_i' para todo ii. Lleva después el ejemplo mixto del curso un peldaño más allá:

    1x−ln⁡x=1x+ln⁡xx2+(ln⁡x)2x3+o((ln⁡x)2x3)(x→+∞),\frac{1}{x - \ln x} = \frac1x + \frac{\ln x}{x^2} + \frac{(\ln x)^2}{x^3} + o\Bigl(\frac{(\ln x)^2}{x^3}\Bigr) \qquad (x \to +\infty),

    y explica por qué no aparece ningún término cx2\frac{c}{x^2}.

  2. Prueba que para todo n≥1n \geq 1 la ecuación ex+x=n\eu^x + x = n tiene exactamente una solución real xnx_n, y que xn→+∞x_n \to +\infty con xn∼ln⁡nx_n \sim \ln n.
  3. Arranca dos veces:

    xn=ln⁡n−ln⁡nn−(ln⁡n)22n2+o((ln⁡n)2n2).x_n = \ln n - \frac{\ln n}{n} - \frac{(\ln n)^2}{2n^2} + o\Bigl(\frac{(\ln n)^2}{n^2}\Bigr).
  4. Comprueba numéricamente en n=1000n = 1000: compara x1000≈6.90083x_{1000} \approx 6.90083 con los valores de uno, dos y tres términos de la pregunta 3, con cinco decimales.

Parte II — Euler–Maclaurin, orden uno.

  1. Demuestra la identidad del núcleo trapezoidal: para gg de clase C2C^2 sobre [0, 1]\intcc{0}{1},

    ∫01g(t)  ⁣dt=g(0)+g(1)2−12∫01t(1−t) g′′(t)  ⁣dt\int_0^1 g(t)\,\dd t = \frac{g(0) + g(1)}{2} - \frac12\int_0^1 t(1 - t)\,g''(t)\,\dd t

    (integra 12t(1−t)g′′\frac12 t(1-t)g'' por partes dos veces).

  2. Sea ff de clase C2C^2 sobre [1, +∞)\intco{1}{+\infty} con ∫1∞∣f′′∣<∞\int_1^\infty \abs{f''} < \infty. Prueba que

    En=∑k=1nf(k)−∫1nf−f(1)+f(n)2E_n = \sum_{k=1}^{n} f(k) - \int_1^n f - \frac{f(1) + f(n)}{2}

    converge a una constante EE, con la cota de la cola ∣E−En∣≤18∫n∞∣f′′∣\abs{E - E_n} \leq \frac18\int_n^\infty\abs{f''}: la fórmula de Euler–Maclaurin de primer orden.

  3. Aplícalo a f(t)=1tf(t) = \frac1t: demuestra que

    Hn=ln⁡n+γ+12n+εn,∣εn∣≤18n2,H_n = \ln n + \gamma + \frac{1}{2n} + \varepsilon_n, \qquad \abs{\varepsilon_n} \leq \frac{1}{8n^2},

    reforzando el Ejercicio 6.3 (identifica la constante con γ\gamma comparando con el Ejemplo 6.7).

  4. Extrae el coeficiente siguiente: prueba que εn=−112n2+o(1n2)\varepsilon_n = -\frac{1}{12n^2} + o\bigl(\frac1{n^2}\bigr) (los incrementos de EnE_n son 12∫01t(1−t)f′′(n+t) ⁣dt=112f′′(n)+o(f′′(n))\frac12\int_0^1t(1-t)f''(n+t)\dd t = \frac1{12}f''(n) + o(f''(n)); suma la cola con el Teorema 6.6).
  5. Aplica la pregunta 6 a f=ln⁡f = \ln: vuelve a deducir en tres líneas la convergencia de dn=ln⁡n!−(n+12)ln⁡n+nd_n = \ln n! - (n + \frac12)\ln n + n (paso 1 del Teorema 6.13), con la velocidad de error de regalo dn=d+O(1n)d_n = d + O\bigl(\frac1n\bigr).
  6. Aplica la pregunta 6 a f(t)=1tf(t) = \frac{1}{\sqrt t}: prueba que

    ∑k=1n1k=2n+c+12n+O(1n3/2)\sum_{k=1}^{n}\frac1{\sqrt k} = 2\sqrt n + c + \frac{1}{2\sqrt n} + O\Bigl(\frac{1}{n^{3/2}}\Bigr)

    para cierta constante cc, y evalúa todos los términos en n=104n = 10^4 (la constante es c≈−1.4604c \approx -1.4604).

Parte III — Inversión: la ecuación xln⁡x=nx\ln x = n.

  1. Prueba que xln⁡x=nx\ln x = n tiene exactamente una solución xn∈[1, +∞)x_n \in \intco{1}{+\infty} para n≥1n \geq 1, que xn→∞x_n \to \infty y que ln⁡xn∼ln⁡n\ln x_n \sim \ln n.
  2. Deduce la inversión de un término xn∼nln⁡nx_n \sim \dfrac{n}{\ln n} y arranca una vez más:

    ln⁡xn=ln⁡n−ln⁡ln⁡n+o(1),xn=nln⁡n(1+ln⁡ln⁡nln⁡n+o(ln⁡ln⁡nln⁡n)).\ln x_n = \ln n - \ln\ln n + o(1), \qquad x_n = \frac{n}{\ln n}\Bigl(1 + \frac{\ln\ln n}{\ln n} + o\Bigl(\frac{\ln\ln n}{\ln n}\Bigr)\Bigr).
  3. Comprueba en n=106n = 10^6: la raíz verdadera es x≈87 848x \approx 87\,848; compárala con los valores de un término (≈72 382\approx 72\,382) y de dos términos (≈86 140\approx 86\,140), y explica la lentitud de la ganancia (el parámetro del desarrollo es ln⁡ln⁡nln⁡n\frac{\ln\ln n}{\ln n}, que solo vale ≈0.19\approx 0.19 en n=106n = 10^6).
  4. Admitamos ahora el teorema de los números primos: el número π(x)\pi(x) de primos ≤x\leq x cumple π(x)∼xln⁡x\pi(x) \sim \frac{x}{\ln x} cuando x→∞x \to \infty (demostrado honestamente en el volumen del tercer año). Escribiendo pnp_n para el nn-ésimo primo, justifica π(pn)=n\pi(p_n) = n y aplica la inversión de las preguntas 11–12 para demostrar que

    pn∼nln⁡n.p_n \sim n \ln n .
  5. Dividendos: (a) prueba que ∑k≤npk∼n2ln⁡n2\sum_{k \leq n} p_k \sim \frac{n^2\ln n}{2} (compara ∑kln⁡k\sum k\ln k con ∫tln⁡t  ⁣dt\int t\ln t\,\dd t); (b) calcula la probabilidad aproximada de que un entero elegido al azar uniformemente con 100100 cifras sea primo (ln⁡10100≈230.26\ln 10^{100} \approx 230.26: alrededor de uno de cada 230230).

Parte IV — El método exportado: xtan⁡x=1x\tan x = 1.

  1. Prueba que para cada n≥1n \geq 1 la ecuación tan⁡x=1x\tan x = \frac1x tiene exactamente una solución xnx_n en (nπ,  nπ+π2)\intoo{n\pi}{\,n\pi + \frac\pi2}, y que zn=xn−nπ→0+z_n = x_n - n\pi \to 0^+.
  2. Un término: zn∼1nπz_n \sim \dfrac{1}{n\pi}.
  3. Prueba que el desarrollo de znz_n no tiene término cn2\frac{c}{n^2}: zn=1nπ+O(1n3)z_n = \frac1{n\pi} + O\bigl(\frac{1}{n^3}\bigr).
  4. Tres términos: usando arctan⁡u=u−u33+O(u5)\arctan u = u - \frac{u^3}3 + O(u^5) y 1xn=1nπ−zn(nπ)2+O(n−3⋅zn2)\frac1{x_n} = \frac{1}{n\pi} - \frac{z_n}{(n\pi)^2} + O(n^{-3}\cdot z_n^2), demuestra que

    xn=nπ+1nπ−43π3n3+o(1n3).x_n = n\pi + \frac{1}{n\pi} - \frac{4}{3\pi^3 n^3} + o\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr).
  5. Comprueba en n=3n = 3: la raíz verdadera es x3≈9.5293344x_3 \approx 9.5293344; compara los valores de uno y de tres términos, y contrasta en una frase con el tan⁡x=x\tan x = x del curso (Ejemplo 6.23): dónde se sitúa cada sucesión dentro de su ventana, y por qué.

Parte V — Un arranque dinámico, reglas del juego, síntesis.

  1. Sea u0∈(0, π)u_0 \in \intoo{0}{\pi} y un+1=sin⁡unu_{n+1} = \sin u_n. Prueba que un→0u_n \to 0 de manera decreciente y calcula el límite de 1un+12−1un2\dfrac{1}{u_{n+1}^2} - \dfrac{1}{u_n^2} (desarrolla sin⁡−2\sin^{-2} mediante sin⁡u=u−u36+o(u3)\sin u = u - \frac{u^3}6 + o(u^3)).
  2. Deduce, mediante las medias de Cesàro (volumen del primer año), el clásico

    un∼3n.u_n \sim \sqrt{\frac{3}{n}} .
  3. (Numérica certificada) Usando la cota rigurosa de la pregunta 7, prueba que evaluar ln⁡n+γ+12n\ln n + \gamma + \frac1{2n} en n=106n = 10^6 da H106H_{10^6} con un error de a lo sumo 1.25⋅10−131.25\cdot10^{-13}: una suma de un millón de términos calculada con trece cifras mediante tres términos.
  4. (Reglas del juego) Demuestra o refuta, con demostraciones o contraejemplos: (a) si un∼vn→+∞u_n \sim v_n \to +\infty, entonces ln⁡un∼ln⁡vn\ln u_n \sim \ln v_n; (b) si un∼vnu_n \sim v_n, entonces eun∼evn\eu^{u_n} \sim \eu^{v_n}; (c) si f∼gf \sim g en +∞+\infty (f,gf, g derivables), entonces f′∼g′f' \sim g'.
  5. (Síntesis) Una frase para cada punto: el bucle de arranque del Método 6.22 tal como se usa en las partes I, III y IV; qué añade la corrección trapezoidal al Teorema 6.6; por qué la inversión de xln⁡xx\ln x es exactamente el puente de π(x)\pi(x) a pnp_n; y cuál de las reglas de la pregunta 24 protegió cada paso. Nombra las dos cumbres: la fórmula de Euler–Maclaurin (de primer orden) y la ley asintótica del nn-ésimo primo.
Solución

Solución de Problema 6.1.

1. Restando los dos desarrollos: ∑i(ci−ci′)φi=o(φk)\sum_i (c_i - c_i')\varphi_i = o(\varphi_k). Si algún coeficiente difiere, sea i0i_0 el primero: dividiendo por φi0\varphi_{i_0} y usando φj=o(φi0)\varphi_j = o(\varphi_{i_0}) para j>i0j > i_0 se obtiene ci0−ci0′=o(1)c_{i_0} - c_{i_0}' = o(1), es decir, cero: contradicción. Para el desarrollo: con u=ln⁡xx→0u = \frac{\ln x}x \to 0,

1x−ln⁡x=1x⋅11−u=1x(1+u+u2+O(u3))=1x+ln⁡xx2+(ln⁡x)2x3+o((ln⁡x)2x3).\frac{1}{x - \ln x} = \frac1x\cdot\frac{1}{1 - u} = \frac1x\bigl(1 + u + u^2 + O(u^3)\bigr) = \frac1x + \frac{\ln x}{x^2} + \frac{(\ln x)^2}{x^3} + o\Bigl(\frac{(\ln x)^2}{x^3}\Bigr).

No aparece ningún término cx2\frac c{x^2} porque el desarrollo es una serie geométrica en u=ln⁡xxu = \frac{\ln x}{x}: cada término lleva tantas potencias de ln⁡x\ln x como de 1x\frac1x más allá de la primera; el peldaño 1x2\frac1{x^2} de la escala (coeficiente de (ln⁡x)0(\ln x)^0) sencillamente no está, con coeficiente 00.

2. f(x)=ex+xf(x) = \eu^x + x es continua, estrictamente creciente y con límites −∞-\infty y +∞+\infty: es una biyección R→R\R \to \R, de modo que xn=f−1(n)x_n = f^{-1}(n) existe y es único, y xn→+∞x_n \to +\infty (f−1f^{-1} crece hacia +∞+\infty). De exn=n−xn\eu^{x_n} = n - x_n resulta xn=ln⁡(n−xn)≤ln⁡nx_n = \ln(n - x_n) \leq \ln n, luego xn/n→0x_n/n \to 0 y xn=ln⁡n+ln⁡(1−xn/n)=ln⁡n+o(1)∼ln⁡nx_n = \ln n + \ln(1 - x_n/n) = \ln n + o(1) \sim \ln n.

3. Escribamos un=xn/nu_n = x_n/n. Segunda pasada: un=ln⁡n+o(1)nu_n = \frac{\ln n + o(1)}{n}, así que

xn=ln⁡n+ln⁡(1−un)=ln⁡n−un+O(un2)=ln⁡n−ln⁡nn+o(ln⁡nn).x_n = \ln n + \ln(1 - u_n) = \ln n - u_n + O(u_n^2) = \ln n - \frac{\ln n}{n} + o\Bigl(\frac{\ln n}n\Bigr).

Tercera pasada: ahora un=ln⁡nn−ln⁡nn2+o(ln⁡nn2)u_n = \frac{\ln n}{n} - \frac{\ln n}{n^2} + o\bigl(\frac{\ln n}{n^2}\bigr) y ln⁡(1−un)=−un−un22+O(un3)\ln(1 - u_n) = -u_n - \frac{u_n^2}2 + O(u_n^3):

xn=ln⁡n−ln⁡nn+ln⁡nn2−(ln⁡n)22n2+o((ln⁡n)2n2)=ln⁡n−ln⁡nn−(ln⁡n)22n2+o((ln⁡n)2n2),x_n = \ln n - \frac{\ln n}n + \frac{\ln n}{n^2} - \frac{(\ln n)^2}{2n^2} + o\Bigl(\frac{(\ln n)^2}{n^2}\Bigr) = \ln n - \frac{\ln n}{n} - \frac{(\ln n)^2}{2n^2} + o\Bigl(\frac{(\ln n)^2}{n^2}\Bigr),

absorbiéndose el término ln⁡nn2\frac{\ln n}{n^2} en o((ln⁡n)2n2)o\bigl(\frac{(\ln n)^2}{n^2}\bigr).

4. Para n=1000n = 1000: ln⁡1000≈6.90776\ln 1000 \approx 6.90776 (error 7⋅10−37\cdot10^{-3}); dos términos: 6.900856.90085 (error 2⋅10−52\cdot10^{-5}); tres términos: 6.900826.90082 (error por debajo de 10−510^{-5}), frente a x1000≈6.90083x_{1000} \approx 6.90083. Cada pasada compra aproximadamente el factor previsto ln⁡nn\frac{\ln n}{n}.

5. Dos integraciones por partes, empezando por la derecha: con  ⁣d ⁣dt[12t(1−t)]=12−t\frac{\dd}{\dd t}\bigl[\tfrac12t(1-t)\bigr] = \tfrac12 - t y anulándose t(1−t)t(1-t) en ambos extremos,

12∫01t(1−t)g′′(t) ⁣dt=−∫01(12−t)g′(t) ⁣dt=−[(12−t)g]01−∫01g=g(0)+g(1)2−∫01g.\frac12\int_0^1 t(1-t)g''(t)\dd t = -\int_0^1\Bigl(\frac12 - t\Bigr)g'(t)\dd t = -\Bigl[\Bigl(\frac12 - t\Bigr)g\Bigr]_0^1 - \int_0^1 g = \frac{g(0) + g(1)}2 - \int_0^1 g .

Reordenando, esa es la identidad del enunciado.

6. Calculemos el incremento y apliquemos después la pregunta 5 a g(t)=f(n+t)g(t) = f(n + t):

En+1−En=f(n+1)−∫nn+1 ⁣f−f(n+1)−f(n)2=f(n)+f(n+1)2−∫nn+1 ⁣f=12∫01t(1−t)f′′(n+t) ⁣dt.\begin{align*} E_{n+1} - E_n &= f(n{+}1) - \int_n^{n+1}\!f - \frac{f(n{+}1) - f(n)}2 \\ &= \frac{f(n) + f(n{+}1)}2 - \int_n^{n+1}\!f = \frac12\int_0^1 t(1-t)f''(n+t)\dd t . \end{align*}

Como 0≤t(1−t)≤140 \leq t(1-t) \leq \frac14: ∣En+1−En∣≤18∫nn+1∣f′′∣\abs{E_{n+1} - E_n} \leq \frac18\int_n^{n+1}\abs{f''}, cuya suma sobre nn converge por hipótesis; luego (En)(E_n) converge (incrementos absolutamente sumables) a cierto EE, con

∣E−En∣≤∑k≥n∣Ek+1−Ek∣≤18∫n∞∣f′′∣.\abs{E - E_n} \leq \sum_{k\geq n}\abs{E_{k+1} - E_k} \leq \frac18\int_n^\infty\abs{f''} .

7. f(t)=1tf(t) = \frac1t: f′′(t)=2t3f''(t) = \frac2{t^3} y ∫1∞∣f′′∣=1<∞\int_1^\infty\abs{f''} = 1 < \infty. Por la pregunta 6:

Hn=ln⁡n+1+1n2+E+(En−E)=ln⁡n+(E+12)+12n+εn,H_n = \ln n + \frac{1 + \frac1n}{2} + E + (E_n - E) = \ln n + \Bigl(E + \frac12\Bigr) + \frac1{2n} + \varepsilon_n,

con ∣εn∣=∣En−E∣≤18∫n∞2 ⁣dtt3=18n2\abs{\varepsilon_n} = \abs{E_n - E} \leq \frac18\int_n^\infty\frac{2\dd t}{t^3} = \frac1{8n^2}. Comparando con Hn=ln⁡n+γ+o(1)H_n = \ln n + \gamma + o(1) (Ejemplo 6.7) se identifica E+12=γE + \frac12 = \gamma.

8. A partir de la fórmula del incremento de la pregunta 6,

εn=En−E=−∑k≥n12∫01t(1−t) 2  ⁣dt(k+t)3=−∑k≥n(1k3∫01t(1−t) ⁣dt+O(1k4)),\varepsilon_n = E_n - E = -\sum_{k\geq n}\frac12\int_0^1 t(1-t)\,\frac{2\,\dd t}{(k+t)^3} = -\sum_{k \geq n}\Bigl(\frac1{k^3}\int_0^1t(1-t)\dd t + O\Bigl(\frac1{k^4}\Bigr)\Bigr),

usando 1(k+t)3=1k3+O(1k4)\frac{1}{(k+t)^3} = \frac1{k^3} + O\bigl(\frac1{k^4}\bigr) uniformemente para t∈[0, 1]t \in \intcc01. Con ∫01t(1−t)=16\int_0^1 t(1-t) = \frac16 y ∑k≥n1k3∼12n2\sum_{k\geq n}\frac1{k^3} \sim \frac{1}{2n^2} (Teorema 6.6):

εn=−16⋅12n2+o(1n2)=−112n2+o(1n2).\varepsilon_n = -\frac16\cdot\frac{1}{2n^2} + o\Bigl(\frac1{n^2}\Bigr) = -\frac{1}{12n^2} + o\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr).

9. f=ln⁡f = \ln: f′′(t)=−1t2f''(t) = -\frac1{t^2}, absolutamente integrable. La pregunta 6 da

ln⁡n!=∫1nln⁡t  ⁣dt+ln⁡n2+E+O(18∫n∞ ⁣dtt2)=(n+12)ln⁡n−n+1+E+O(1n),\ln n! = \int_1^n\ln t\,\dd t + \frac{\ln n}2 + E + O\Bigl( \frac1{8}\int_n^\infty\frac{\dd t}{t^2}\Bigr) = \Bigl(n + \frac12\Bigr)\ln n - n + 1 + E + O\Bigl(\frac1n\Bigr),

de modo que dn=1+E+O(1n)d_n = 1 + E + O\bigl(\frac1n\bigr): convergencia de (dn)(d_n) —paso 1 del Teorema 6.13— más la velocidad O(1/n)O(1/n). (El valor del límite dado por Stirling da E=ln⁡2π−1E = \ln\sqrt{2\pi} - 1.)

10. f(t)=t−1/2f(t) = t^{-1/2}: f′′(t)=34t−5/2f''(t) = \frac34 t^{-5/2}, absolutamente integrable. La pregunta 6 da

∑k=1n1k=2n−2+1+1n2+E+O(n−3/2)=2n+c+12n+O(n−3/2),\sum_{k=1}^n \frac1{\sqrt k} = 2\sqrt n - 2 + \frac{1 + \frac1{\sqrt n}}2 + E + O\bigl(n^{-3/2}\bigr) = 2\sqrt n + c + \frac{1}{2\sqrt n} + O\bigl(n^{-3/2}\bigr),

con c=E−32c = E - \frac32. Para n=104n = 10^4: 2n=2002\sqrt n = 200, c≈−1.46035c \approx -1.46035, 12n=0.005\frac1{2\sqrt n} = 0.005; predicción 198.54465198.54465, y en efecto ∑k≤104k−1/2=198.544645…\sum_{k\leq10^4}k^{-1/2} = 198.544645\dots: tres términos, siete cifras.

11. t↦tln⁡tt \mapsto t\ln t es continua y estrictamente creciente sobre [1, ∞)\intco1\infty (derivada ln⁡t+1≥1\ln t + 1 \geq 1), de 00 a +∞+\infty: existe un único xnx_n, y xn→∞x_n \to \infty (en otro caso xnln⁡xnx_n\ln x_n quedaría acotado). Tomando logaritmos en xnln⁡xn=nx_n\ln x_n = n: ln⁡xn+ln⁡ln⁡xn=ln⁡n\ln x_n + \ln\ln x_n = \ln n; como ln⁡ln⁡xn=o(ln⁡xn)\ln\ln x_n = o(\ln x_n), dividiendo por ln⁡xn\ln x_n resulta ln⁡nln⁡xn→1\frac{\ln n}{\ln x_n} \to 1, es decir, ln⁡xn∼ln⁡n\ln x_n \sim \ln n.

12. De xn=nln⁡xnx_n = \frac{n}{\ln x_n} y ln⁡xn∼ln⁡n\ln x_n \sim \ln n: xn∼nln⁡nx_n \sim \frac{n}{\ln n}. Pasada siguiente: ln⁡ln⁡xn=ln⁡(ln⁡n (1+o(1)))=ln⁡ln⁡n+o(1)\ln\ln x_n = \ln\bigl(\ln n\,(1 + o(1))\bigr) = \ln\ln n + o(1), luego ln⁡xn=ln⁡n−ln⁡ln⁡n+o(1)\ln x_n = \ln n - \ln\ln n + o(1) y

xn=nln⁡n−ln⁡ln⁡n+o(1)=nln⁡n⋅11−ln⁡ln⁡n+o(1)ln⁡n=nln⁡n(1+ln⁡ln⁡nln⁡n+o(ln⁡ln⁡nln⁡n)).x_n = \frac{n}{\ln n - \ln\ln n + o(1)} = \frac{n}{\ln n}\cdot\frac{1}{1 - \frac{\ln\ln n + o(1)}{\ln n}} = \frac{n}{\ln n}\Bigl(1 + \frac{\ln\ln n}{\ln n} + o\Bigl(\frac{\ln\ln n}{\ln n}\Bigr)\Bigr).

13. Para n=106n = 10^6: nln⁡n≈72 382\frac{n}{\ln n} \approx 72\,382 (error del 18 %18\,\%); dos términos dan ≈86 140\approx 86\,140 (error del 1.9 %1.9\,\%), frente al valor verdadero x≈87 848x \approx 87\,848. La ganancia por pasada es solo el factor ln⁡ln⁡nln⁡n≈2.6313.8≈0.19\frac{\ln\ln n}{\ln n} \approx \frac{2.63}{13.8} \approx 0.19: las escalas logarítmicas convergen con desesperante lentitud, hecho de la vida allí donde intervienen los primos.

14. Hay exactamente nn primos ≤pn\leq p_n (a saber, p1,…,pnp_1, \dots, p_n): π(pn)=n\pi(p_n) = n. El teorema de los números primos (admitido; volumen del tercer año) da n=π(pn)∼pnln⁡pnn = \pi(p_n) \sim \frac{p_n}{\ln p_n}, es decir, pn∼nln⁡pnp_n \sim n\ln p_n: es la ecuación xln⁡x≈nx\ln x \approx n leída al revés. Tomando logaritmos: ln⁡pn=ln⁡n+ln⁡ln⁡pn+o(1)\ln p_n = \ln n + \ln\ln p_n + o(1), y ln⁡ln⁡pn=o(ln⁡pn)\ln\ln p_n = o(\ln p_n) obliga a ln⁡pn∼ln⁡n\ln p_n \sim \ln n como en la pregunta 11. Sustituyendo de vuelta:

pn∼nln⁡pn=n ln⁡n ln⁡pnln⁡n∼nln⁡n.p_n \sim n\ln p_n = n\,\ln n\,\frac{\ln p_n}{\ln n} \sim n\ln n .

15. (a) Fijemos ε>0\varepsilon > 0; para kk grande, (1−ε)kln⁡k≤pk≤(1+ε)kln⁡k(1 - \varepsilon)k\ln k \leq p_k \leq (1 + \varepsilon)k\ln k. Por comparación con la función creciente tln⁡tt\ln t (encuadre del tipo del Teorema 6.6), ∑k≤nkln⁡k=∫1ntln⁡t  ⁣dt+O(nln⁡n)=n2ln⁡n2−n24+O(nln⁡n)∼n2ln⁡n2\sum_{k\leq n}k\ln k = \int_1^n t\ln t\,\dd t + O(n\ln n) = \frac{n^2\ln n}2 - \frac{n^2}4 + O(n\ln n) \sim \frac{n^2\ln n}2. Por tanto ∑k≤npk=n2ln⁡n2(1+O(ε)+o(1))\sum_{k\leq n}p_k = \frac{n^2\ln n}{2}(1 + O(\varepsilon) + o(1)) para todo ε\varepsilon: ∑k≤npk∼n2ln⁡n2\sum_{k\leq n}p_k \sim \frac{n^2\ln n}2. (b) Por el teorema de los números primos, entre los enteros hasta 1010010^{100} una proporción ∼1ln⁡10100=1230.26…\sim \frac{1}{\ln 10^{100}} = \frac1{230.26\dots} son primos: un entero de 100100 cifras elegido uniformemente al azar es primo con probabilidad aproximada 1230\frac1{230}.

16. Sobre (nπ, nπ+π2)\intoo{n\pi}{n\pi + \frac\pi2}, la función g(x)=tan⁡x−1xg(x) = \tan x - \frac1x es continua y estrictamente creciente (g′=1+tan⁡2x+1x2>0g' = 1 + \tan^2x + \frac1{x^2} > 0), con g→−1nπ<0g \to -\frac1{n\pi} < 0 en el extremo izquierdo y g→+∞g \to +\infty en el derecho: hay exactamente una raíz xnx_n. Como tan⁡zn=tan⁡xn=1xn→0\tan z_n = \tan x_n = \frac1{x_n} \to 0 con zn∈(0, π2)z_n \in \intoo{0}{\frac\pi2}: zn→0+z_n \to 0^+.

17. tan⁡zn∼zn\tan z_n \sim z_n y 1xn∼1nπ\frac1{x_n} \sim \frac1{n\pi}: zn∼1nπz_n \sim \frac1{n\pi}.

18. zn=arctan⁡1xnz_n = \arctan\frac1{x_n} y arctan⁡u=u+O(u3)\arctan u = u + O(u^3). Con zn=O(1n)z_n = O(\frac1n):

1xn=1nπ⋅11+znnπ=1nπ−znn2π2+O(1n4)=1nπ+O(1n3),\frac1{x_n} = \frac{1}{n\pi}\cdot\frac1{1 + \frac{z_n}{n\pi}} = \frac1{n\pi} - \frac{z_n}{n^2\pi^2} + O\Bigl(\frac1{n^4}\Bigr) = \frac1{n\pi} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr),

luego zn=1nπ+O(1n3)z_n = \frac1{n\pi} + O\bigl(\frac1{n^3}\bigr): el peldaño cn2\frac{c}{n^2} tiene coeficiente 00, porque la primera corrección de 1xn\frac1{x_n} es ya de tamaño znn2=O(n−3)\frac{z_n}{n^2} = O(n^{-3}).

19. Insertemos zn=1nπ+O(n−3)z_n = \frac1{n\pi} + O(n^{-3}) en la fórmula anterior:

1xn=1nπ−1n3π3+O(1n5),\frac{1}{x_n} = \frac{1}{n\pi} - \frac{1}{n^3\pi^3} + O\Bigl(\frac1{n^5}\Bigr),

y entonces zn=arctan⁡1xn=1xn−13(1xn)3+O(1n5)=1nπ−1n3π3−13n3π3+O(1n5)z_n = \arctan\frac1{x_n} = \frac1{x_n} - \frac{1}{3}\Bigl(\frac1{x_n}\Bigr)^3 + O\Bigl(\frac1{n^5}\Bigr) = \frac1{n\pi} - \frac{1}{n^3\pi^3} - \frac{1}{3n^3\pi^3} + O\Bigl(\frac1{n^5}\Bigr):

xn=nπ+1nπ−43π3n3+O(1n5).x_n = n\pi + \frac{1}{n\pi} - \frac{4}{3\pi^3n^3} + O\Bigl(\frac1{n^5}\Bigr).

20. Para n=3n = 3: un término da 9.530889.53088, tres términos 9.529299.52929, y la raíz verdadera es 9.529339.52933; los errores son 1.5⋅10−31.5\cdot10^{-3} y 5⋅10−55\cdot10^{-5}. Contraste: para tan⁡x=x\tan x = x la raíz ha de hacer enorme la tangente, así que se pega al extremo derecho nπ+π2n\pi + \frac\pi2 de la ventana, a distancia ∼1nπ\sim\frac1{n\pi} antes de la asíntota; para xtan⁡x=1x\tan x = 1 la raíz ha de hacer diminuta la tangente, así que se sitúa justo después del extremo izquierdo nπn\pi, a distancia ∼1nπ\sim\frac1{n\pi} tras el cero. Mismo método, geografía especular.

21. sin⁡u<u\sin u < u sobre (0, π)\intoo0\pi, y sin⁡\sin envía (0, π)\intoo0\pi dentro de (0, 1]⊆(0, π)\intoc01 \subseteq \intoo0\pi: tras un paso, u1∈(0, 1]u_1 \in \intoc{0}{1}, y entonces (un)(u_n) decrece y está acotada inferiormente por 00, luego converge a un punto fijo de sin⁡\sin, es decir, a 00. Desarrollo: sin⁡u=u(1−u26+o(u2))\sin u = u(1 - \frac{u^2}6 + o(u^2)), de modo que

1un+12−1un2=1un2((1−un26+o(un2))−2−1)=1un2(un23+o(un2))⟶13.\frac{1}{u_{n+1}^2} - \frac1{u_n^2} = \frac{1}{u_n^2}\Bigl(\bigl(1 - \tfrac{u_n^2}6 + o(u_n^2)\bigr)^{-2} - 1\Bigr) = \frac{1}{u_n^2}\Bigl(\frac{u_n^2}{3} + o(u_n^2)\Bigr) \longrightarrow \frac13 .

22. Por Cesàro (volumen del primer año), la media de los incrementos converge al mismo límite:

1n⋅1un2=1n(1u02+∑k=0n−1(1uk+12−1uk2))⟶13,\frac{1}{n}\cdot\frac{1}{u_n^2} = \frac1n\Bigl(\frac1{u_0^2} + \sum_{k=0}^{n-1} \Bigl(\frac1{u_{k+1}^2} - \frac1{u_k^2}\Bigr)\Bigr) \longrightarrow \frac13 ,

luego un2∼3nu_n^2 \sim \frac3n y, al ser todos los términos positivos, un∼3/nu_n \sim \sqrt{3/n}.

23. Por la pregunta 7, ∣Hn−ln⁡n−γ−12n∣≤18n2\abs{H_n - \ln n - \gamma - \frac1{2n}} \leq \frac1{8n^2}. En n=106n = 10^6 esa cota vale 18⋅1012=1.25⋅10−13\frac{1}{8\cdot10^{12}} = 1.25\cdot10^{-13}: tres términos calculados entregan la suma armónica de un millón de sumandos con trece cifras y un certificado de error plenamente riguroso, que es todo el sentido de una fórmula asintótica con resto explícito.

24. (a) Cierto: ln⁡un−ln⁡vn=ln⁡unvn→0\ln u_n - \ln v_n = \ln\frac{u_n}{v_n} \to 0 mientras que ln⁡vn→+∞\ln v_n \to +\infty, luego el cociente de los logaritmos tiende a 11. (b) Falso: un=n+1∼vn=nu_n = n + 1 \sim v_n = n, pero eun/evn=e≠1\eu^{u_n}/\eu^{v_n} = \eu \neq 1. La equivalencia tolera errores aditivos o(1)o(1) en el exponente, no O(1)O(1). (c) Falso: f(x)=x+sin⁡(x2)∼g(x)=xf(x) = x + \sin(x^2) \sim g(x) = x en +∞+\infty, pero f′(x)=1+2xcos⁡(x2)f'(x) = 1 + 2x\cos(x^2) oscila sin acotación mientras que g′=1g' = 1: las derivadas de funciones equivalentes no tienen por qué ser comparables en absoluto.

25. El bucle del Método 6.22 se ejecutó idénticamente tres veces: localizar la raíz, extraer un término tosco y realimentarlo para el orden siguiente —sobre ex+x=n\eu^x + x = n (parte I), sobre xln⁡x=nx\ln x = n (parte III) y sobre xtan⁡x=1x\tan x = 1 (parte IV)—. La corrección trapezoidal mejora la comparación serie–integral desde “la diferencia converge” hasta un término explícito f(1)+f(n)2\frac{f(1) + f(n)}2 con resto certificado O(∫n∞∣f′′∣)O(\int_n^\infty \abs{f''}): constantes y barras de error en lugar de mera convergencia. El puente hacia los primos es pura inversión: el teorema de los números primos dice que π(x)ln⁡x≈x\pi(x)\ln x \approx x, de modo que pnp_n, definido por π(pn)=n\pi(p_n) = n, resuelve una ecuación xln⁡x=nx\ln x = n y hereda su asintótica. La regla (a) de la pregunta 24 legitimó todo paso de un∼vnu_n \sim v_n a ln⁡un∼ln⁡vn\ln u_n \sim \ln v_n (preguntas 11 y 14); y la falsedad de (b) es la razón de que nunca exponenciemos equivalencias. Cumbres: la fórmula de Euler–Maclaurin de primer orden (pregunta 6) y la ley asintótica pn∼nln⁡np_n \sim n\ln n del nn-ésimo primo (pregunta 14).

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