Mathematics · Buku 4 · Bachelor Year 2

Matematika Universitas — Tahun 2

Matematika Universitas — Tahun 2 · Bachelor Year 2

9Pengintegralan

Jilid Tahun ke-1 membangun integral pada sebuah ruas. Bab ini memperluasnya ke interval sembarang (yakni integral tak wajar, lengkap dengan kotak perkakas perbandingannya), lalu menelaah integral yang bergantung pada sebuah parameter — kekontinuan dan penurunan di bawah tanda integral — yang digerakkan teorema kekonvergenan terdominasi, satu-satunya hasil bab ini yang diterima tanpa bukti. Fungsi Γ\Gamma menjadi contoh yang berjalan terus, sekaligus gerbang menuju separuh fungsi khusus dalam matematika.

9.1 Integral pada interval sembarang

Definisi 9.1

Misalkan ff kontinu sepotong-sepotong pada [a, b)\intco{a}{b} (b∈Rb \in \R atau +∞+\infty). Integralnya disebut konvergen apabila lim⁡x→b−∫axf\lim_{x \to b^-} \int_a^x f ada; limitnya lalu ditulis ∫abf\int_a^b f. (Serupa itu pada (a, b]\intoc{a}{b}, dan pada (a, b)\intoo{a}{b} dengan memecahnya di sebuah titik dalam — pilihan titiknya tak berpengaruh, menurut Chasles.) Integralnya disebut konvergen mutlak apabila ∫ab∣f∣\int_a^b \abs f konvergen; dan kekonvergenan mutlak mengakibatkan kekonvergenan, lewat kriteria Cauchy:

∣∫xyf∣≤∫xy∣f∣\Bigl| \int_x^{y} f \Bigr| \leq \int_x^{y} \abs f

beserta kelengkapan R\R (sebab antiturunannya punya sifat Cauchy). Secara rinci: misalkan F(x)=∫axfF(x) = \int_a^x f dan G(x)=∫ax∣f∣G(x) = \int_a^x \abs f. Jika ∫b∣f∣\int^b\abs f konvergen, maka GG punya limit di b−b^-, jadi untuk setiap ε>0\varepsilon > 0 ada c<bc < b dengan G(y)−G(x)≤εG(y) - G(x) \leq \varepsilon setiap kali c≤x≤y<bc \leq x \leq y < b; lalu ungkapan di atas memindahkan sifat Cauchy itu ke FF. Untuk sembarang barisan xn→b−x_n \to b^-, nilai F(xn)F(x_n) lalu membentuk barisan Cauchy berisi bilangan real, yang konvergen berkat kelengkapan, dan menyelang-nyelingkan dua barisan semacam itu menunjukkan limitnya sama untuk semuanya: jadi FF punya limit di b−b^-.

Teorema 9.2 (Kotak perkakas perbandingan positif)

Untuk f,g≥0f, g \geq 0 yang kontinu sepotong-sepotong pada [a, b)\intco{a}{b}:

  1. ∫abf\int_a^b f konvergen bila dan hanya bila antiturunannya x↦∫axfx \mapsto \int_a^x f terbatas;
  2. jika f≤gf \leq g: kekonvergenan ∫g\int g memaksa kekonvergenan ∫f\int f; sedangkan kedivergenannya berpindah ke arah sebaliknya;
  3. jika f∼gf \sim g di bb: kedua integralnya bersifat sama;
  4. skala acuannya: di +∞+\infty, ∫∞ ⁣dttα\int^{\infty} \frac{\dd t}{t^\alpha} konvergen bila dan hanya bila α>1\alpha > 1, dan ∫∞ ⁣dtt(ln⁡t)β\int^\infty \frac{\dd t}{t(\ln t)^\beta} bila dan hanya bila β>1\beta > 1; sedangkan di ujung hingga bb, integral ∫b ⁣dt(b−t)α\int^b \frac{\dd t}{(b - t)^\alpha} konvergen bila dan hanya bila α<1\alpha < 1.

Bukti. (1) Antiturunan F(x)=∫axfF(x) = \int_a^x f tidak turun (sebab f≥0f \geq 0). Jika ia terbatas, maka ℓ=sup⁡x<bF\ell = \sup_{x < b}F hingga dan F(x)→ℓF(x) \to \ell: sebab diberikan ε>0\varepsilon > 0, ada F(x0)>ℓ−εF(x_0) > \ell - \varepsilon, lalu kemonotonannya menjebak F(x)∈(ℓ−ε, ℓ]F(x) \in \intoc{\ell - \varepsilon}{\ell} untuk x0≤x<bx_0 \leq x < b. Jika ia tak terbatas, maka F→+∞F \to +\infty: jadi divergen.

(2) Dari f≤gf \leq g: ∫axf≤∫axg\int_a^x f \leq \int_a^x g untuk setiap xx; jika ∫bg\int^b g konvergen, maka ruas kanannya terbatas, sehingga ruas kirinya pun terbatas, lalu (1) merampungkannya. Kontraposisinya memindahkan kedivergenannya ke arah sebaliknya.

(3) Dari f∼gf \sim g di bb diperoleh c<bc < b dengan

12 g(t)  ≤  f(t)  ≤  2 g(t)(c≤t<b):\tfrac12\,g(t) \;\leq\; f(t) \;\leq\; 2\,g(t) \qquad (c \leq t < b) :

jadi menurut (2) yang diterapkan dua arah pada [c, b)\intco{c}{b}, kedua integralnya bersifat sama; sedangkan potongan awalnya [a, c]\intcc{a}{c} merupakan integral wajar dan tidak mengubah apa pun.

(4) Antiturunan gamblangnya: untuk α≠1\alpha \neq 1 dan β≠1\beta \neq 1,

∫cx ⁣dttα=x1−α−c1−α1−α,∫cx ⁣dtt(ln⁡t)β=(ln⁡x)1−β−(ln⁡c)1−β1−β,\int_c^x \frac{\dd t}{t^\alpha} = \frac{x^{1-\alpha} - c^{1-\alpha}}{1 - \alpha}, \qquad \int_c^x \frac{\dd t}{t(\ln t)^\beta} = \frac{(\ln x)^{1-\beta} - (\ln c)^{1-\beta}}{1 - \beta},

dengan logaritma pada kasus yang dikecualikan: dan itu terbatas ketika x→+∞x \to +\infty persis bila α>1\alpha > 1, atau β>1\beta > 1. Di ujung yang hingga, penyulihan u=b−tu = b - t menyusutkannya ke skala ∫0u−α  ⁣du\int_0 u^{-\alpha}\,\dd u, yang terbatas bila dan hanya bila α<1\alpha < 1. Terapkan (1) setiap kali. ∎

Contoh 9.3 (Dua pemanasan, dikerjakan sampai tuntas)

(a) ∫01ln⁡t  ⁣dt\displaystyle\int_0^1 \ln t\,\dd t: integrannya meledak di 0+0^+, tetapi ∣ln⁡t∣=o(t−1/2)\abs{\ln t} = o\bigl(t^{-1/2}\bigr) di sana (sebab logaritma kalah oleh pangkat), dan ∫0t−1/2\int_0 t^{-1/2} konvergen: jadi konvergen mutlak. Nilainya, lewat pengintegralan parsial pada [ε, 1]\intcc{\varepsilon}{1}:

∫ε1ln⁡t  ⁣dt=[tln⁡t−t]ε1=−1−εln⁡ε+ε→ε→0+−1.\int_\varepsilon^1 \ln t\,\dd t = \bigl[t\ln t - t\bigr]_\varepsilon^1 = -1 - \varepsilon\ln\varepsilon + \varepsilon \xrightarrow[\varepsilon\to0^+]{} -1 .

(b) ∫0∞ln⁡t1+t2  ⁣dt\displaystyle\int_0^\infty \frac{\ln t}{1 + t^2}\,\dd t: masalahnya ada di kedua ujungnya, jadi pecahlah di 11. Di dekat 00: ∣ln⁡t∣\abs{\ln t} terintegralkan seperti pada (a); di dekat ∞\infty: ln⁡t1+t2=o(t−3/2)\frac{\ln t}{1+t^2} = o(t^{-3/2}), jadi konvergen mutlak. Penyulihan t=1ut = \frac1u memetakan (0, 1)\intoo{0}{1} pada (1, ∞)\intoo{1}{\infty} dan

∫01ln⁡t1+t2  ⁣dt=∫1∞−ln⁡u1+u−2⋅ ⁣duu2=−∫1∞ln⁡u1+u2  ⁣du:\int_0^1 \frac{\ln t}{1+t^2}\,\dd t = \int_1^{\infty} \frac{-\ln u}{1 + u^{-2}}\cdot \frac{\dd u}{u^2} = -\int_1^\infty \frac{\ln u}{1+u^2}\,\dd u :

jadi kedua paruhnya saling coret, dan integralnya bernilai 00. Pelajaran penutupnya: kesetangkupan terhadap t↦1tt \mapsto \frac1t berharga satu halaman perhitungan — dan siasat yang sama sudah menggerakkan Latihan 9.3.

Contoh 9.4 (Satu nilai, tiga integral)

Telaahlah I=∫0∞1−cos⁡tt2  ⁣dtI = \displaystyle\int_0^{\infty} \frac{1 - \cos t}{t^2}\,\dd t. Di 00: 1−cos⁡t∼t221 - \cos t \sim \frac{t^2}2, jadi integrannya diperluas secara kontinu oleh nilai 12\frac12 — sama sekali tak ada kesingularan. Di ∞\infty: 0≤1−cos⁡tt2≤2t20 \leq \frac{1 - \cos t}{t^2} \leq \frac{2}{t^2}, jadi konvergen mutlak (Teorema 9.2). Nilainya: integralkan secara parsial pada [ε, M]\intcc{\varepsilon}{M} dengan u=1−cos⁡tu = 1 - \cos t dan v′=t−2v' = t^{-2}:

∫εM1−cos⁡tt2  ⁣dt=[−1−cos⁡tt]εM+∫εMsin⁡tt  ⁣dt.\int_\varepsilon^M \frac{1 - \cos t}{t^2}\,\dd t = \Bigl[-\frac{1 - \cos t}{t}\Bigr]_\varepsilon^M + \int_\varepsilon^M \frac{\sin t}{t}\,\dd t .

Kurungnya nol di kedua ujungnya (sebab 1−cos⁡εε∼ε2\frac{1 - \cos\varepsilon}{\varepsilon} \sim \frac\varepsilon2, dan pembilangnya terbatas di MM), sedangkan integralnya menuju nilai Dirichlet π2\frac\pi2 (Latihan 9.10): jadi I=π2I = \frac\pi2. Pelajaran penutupnya: dengan 1−cos⁡t=2sin⁡2t21 - \cos t = 2\sin^2\frac t2 dan u=t2u = \frac t2,

I=∫0∞2sin⁡2u(2u)2  2  ⁣du=∫0∞(sin⁡uu) ⁣2 ⁣du:I = \int_0^\infty \frac{2\sin^2 u}{(2u)^2}\;2\,\dd u = \int_0^\infty \Bigl(\frac{\sin u}{u}\Bigr)^{\!2}\dd u :

ketiga klasiknya, yakni ∫0∞sin⁡tt ⁣dt\int_0^\infty\frac{\sin t}{t}\dd t, ∫0∞(sin⁡tt)2 ⁣dt\int_0^\infty\bigl(\frac{\sin t}{t}\bigr)^2\dd t (Latihan 9.11) dan II, semuanya bernilai π2\frac\pi2, yang diedarkan lewat pengintegralan parsial dan penyulihan — dan hanya yang pertama yang semi-konvergen: sebab pengintegralan parsialnya menukar kekonvergenan mutlaknya dengan integran yang lebih sederhana.

Contoh 9.5 (Sebuah integral semi-konvergen)

∫1∞sin⁡tt  ⁣dt\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{\sin t}{t}\,\dd t konvergen: integralkan secara parsial,

∫1xsin⁡tt ⁣dt=[−cos⁡tt]1x−∫1xcos⁡tt2 ⁣dt,\int_1^x \frac{\sin t}{t}\dd t = \Bigl[\frac{-\cos t}{t}\Bigr]_1^x - \int_1^x \frac{\cos t}{t^2}\dd t ,

dengan kurungnya berlimit dan integral terakhirnya konvergen mutlak (sebab ∣cos⁡t∣/t2≤t−2\abs{\cos t}/t^2 \leq t^{-2}). Namun tidak mutlak: sebab dari ∣sin⁡t∣≥sin⁡2t\abs{\sin t} \geq \sin^2 t,

∫1x∣sin⁡t∣t  ⁣dt  ≥  ∫1xsin⁡2tt  ⁣dt=∫1x ⁣dt2t⏟= 12ln⁡x → ∞  −  ∫1xcos⁡2t2t  ⁣dt⏟konvergen,\int_1^x \frac{\abs{\sin t}}{t}\,\dd t \;\geq\; \int_1^x \frac{\sin^2t}{t}\,\dd t = \underbrace{\int_1^x \frac{\dd t}{2t}}_{=\ \frac12\ln x \ \to\ \infty} \;-\; \underbrace{\int_1^x \frac{\cos 2t}{2t}\,\dd t}_{\text{konvergen}} ,

dengan integral terakhirnya konvergen lewat pengintegralan parsial yang sama seperti di atas (dengan sin⁡2t\sin 2t di kurungnya): jadi potongan divergen dikurangi potongan konvergen bersifat divergen. Karenanya ∫1∞sin⁡tt ⁣dt\int_1^\infty\frac{\sin t}{t}\dd t konvergen tanpa konvergen mutlak — yakni padanan integral bagi deret berselang-seling, dengan pengintegralan parsial berperan sebagai uji berselang-selingnya.

9.2 Teorema kekonvergenan

Teorema 9.6 (Kekonvergenan terdominasi)

Misalkan (fn)(f_n) kontinu sepotong-sepotong pada sebuah interval II, konvergen titik demi titik ke ff yang kontinu sepotong-sepotong, dan andaikan ada φ≥0\varphi \geq 0 tetap yang terintegralkan (∫Iφ<∞\int_I \varphi < \infty) dengan

∣fn(t)∣≤φ(t)(t∈I, n∈N).\abs{f_n(t)} \leq \varphi(t) \qquad (t \in I,\ n \in \N).

Maka semua ∫Ifn\int_I f_n dan ∫If\int_I f konvergen mutlak, dan

∫Ifn→n→∞∫If.\int_I f_n \xrightarrow[n \to \infty]{} \int_I f .

Bukti. Diterima tanpa bukti pada tingkat ini. ∎

Catatan 9.7

Bukti jujurnya menjadi milik teori pengintegralan Lebesgue pada Tahun ke-3; namun pernyataannya dipakai terus-menerus mulai sekarang. Hipotesis dominasinya adalah seluruh intinya: sebab kekonvergenan titik demi titik saja tidak cukup (fn=n 1(0, 1/n)f_n = n\,\mathbf{1}_{\intoo{0}{1/n}}, yakni bonggol yang meluncur: ∫fn=1↛0=∫f\int f_n = 1 \not\to 0 = \int f). Teorema itu juga berlaku untuk parameter yang kontinu (fλf_\lambda, λ→λ0\lambda \to \lambda_0), lewat pencirian limit secara barisan.

Contoh 9.8 (Sebuah limit Gauss, lewat dominasi)

Hitunglah lim⁡n→∞In\displaystyle\lim_{n\to\infty} I_n dengan In=∫0∞(1+t2n) ⁣−n ⁣dtI_n = \int_0^\infty \Bigl(1 + \frac{t^2}{n}\Bigr)^{\!-n}\dd t. Titik demi titik, (1+t2/n)n→et2(1 + t^2/n)^n \to \eu^{t^2} (lewat limit bunga majemuk), jadi integrannya menuju e−t2\eu^{-t^2}. Dominasinya: barisan n↦(1+u/n)nn \mapsto (1 + u/n)^n tidak turun untuk u≥0u \geq 0 (sebab AM–GM pada n+1n + 1 faktor 1,1+un,…,1+un1, 1 + \frac un, \dots, 1 + \frac un memberi (1+un+1)n+1≥(1+un)n(1 + \frac u{n+1})^{n+1} \geq (1 + \frac un)^n), jadi untuk n≥2n \geq 2:

(1+t2n) ⁣−n≤(1+t22) ⁣−2,\Bigl(1 + \frac{t^2}{n}\Bigr)^{\!-n} \leq \Bigl(1 + \frac{t^2}{2}\Bigr)^{\!-2},

yakni pendominasi yang terintegralkan (∼4t−4\sim 4t^{-4} di tak hingga). Kekonvergenan terdominasi memberi

In→n→∞∫0∞e−t2 ⁣dt=π2I_n \xrightarrow[n\to\infty]{} \int_0^\infty \eu^{-t^2}\dd t = \frac{\sqrt\pi}{2}

(yakni integral Gauss pada Latihan 9.8). Pemeriksaan penutupnya: penyulihan t=ntan⁡θt = \sqrt n\tan\theta menghitung InI_n secara eksak, In=n∫0π/2cos⁡2n−2θ  ⁣dθ=n W2n−2I_n = \sqrt n\int_0^{\pi/2}\cos^{2n-2}\theta\,\dd\theta = \sqrt n\,W_{2n-2}, lalu asimtotik Wallis Wm∼π/(2m)W_m \sim \sqrt{\pi/(2m)} (Lema 6.11) memberi n W2n−2→π2\sqrt n\,W_{2n-2} \to \frac{\sqrt\pi}2 sekali lagi: jadi kedua pilar bab ini dan bab sebelumnya sepakat.

Contoh 9.9 (Kekonvergenan terdominasi, parameter kontinu)

Hitunglah

lim⁡x→+∞∫0∞arctan⁡(xt)1+t2  ⁣dt.\lim_{x\to+\infty}\int_0^\infty \frac{\arctan(xt)}{1+t^2}\,\dd t .

Untuk tiap t>0t > 0 berlaku arctan⁡(xt)→π2\arctan(xt) \to \frac\pi2 ketika x→∞x \to \infty; sedangkan dominasinya,

∣arctan⁡(xt)1+t2∣≤π/21+t2,terintegralkan, tak bergantung pada x,\Bigl|\frac{\arctan(xt)}{1+t^2}\Bigr| \leq \frac{\pi/2}{1+t^2}, \qquad\text{terintegralkan, tak bergantung pada } x,

berlaku untuk setiap xx. Menurut bentuk berparameter kontinu pada Teorema 9.6 (lewat pencirian secara barisan: ujilah sepanjang setiap xn→∞x_n \to \infty),

∫0∞arctan⁡(xt)1+t2  ⁣dt→x→+∞π2∫0∞ ⁣dt1+t2=π24.\int_0^\infty\frac{\arctan(xt)}{1+t^2}\,\dd t \xrightarrow[x\to+\infty]{} \frac\pi2\int_0^\infty\frac{\dd t}{1+t^2} = \frac{\pi^2}{4} .

Pelajaran penutupnya: satu titik t=0t = 0, tempat limit titik demi titiknya 00 dan bukan π2\frac\pi2, tidak mengubah apa pun — sebab fungsi limitnya hanya masuk lewat integralnya, salah satu belas kasih teorema itu yang sunyi.

9.3 Integral dengan parameter

Teorema 9.10 (Kekontinuan di bawah tanda integral)

Misalkan f ⁣:A×I→Rf \colon A \times I \to \R (AA sebuah ruang metrik, II sebuah interval) dengan: t↦f(x,t)t \mapsto f(x, t) kontinu sepotong-sepotong untuk tiap xx; x↦f(x,t)x \mapsto f(x, t) kontinu untuk tiap tt; dan sebuah dominasi ∣f(x,t)∣≤φ(t)\abs{f(x,t)} \leq \varphi(t) (dengan φ\varphi terintegralkan pada II dan tak bergantung pada xx). Maka

F(x)=∫If(x,t)  ⁣dtF(x) = \int_I f(x, t)\,\dd t

terdefinisi dan kontinu pada AA.

Bukti. Keterdefinisiannya: dominasinya memberi kekonvergenan mutlak. Kekontinuan di x0x_0: untuk sembarang barisan xn→x0x_n \to x_0, fungsi gn(t)=f(xn,t)g_n(t) = f(x_n, t) konvergen titik demi titik ke f(x0,t)f(x_0, t) (berkat kekontinuan pada xx) di bawah dominasi tetap φ\varphi: jadi kekonvergenan terdominasi memberi F(xn)→F(x0)F(x_n) \to F(x_0); lalu rampungkan lewat pencirian kekontinuan secara barisan (Definisi 4.5). ∎

Teorema 9.11 (Penurunan di bawah tanda integral)

Misalkan f ⁣:J×I→Rf \colon J \times I \to \R (JJ sebuah interval parameter) dengan: t↦f(x,t)t \mapsto f(x,t) terintegralkan pada II untuk tiap xx; x↦f(x,t)x \mapsto f(x,t) berkelas C1C^1 untuk tiap tt, dengan turunan parsial ∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x} yang kontinu sepotong-sepotong pada tt dan terdominasi: ∣∂f∂x(x,t)∣≤ψ(t)\bigl|\frac{\partial f}{\partial x}(x,t)\bigr| \leq \psi(t) dengan ψ\psi terintegralkan. Maka F(x)=∫If(x,t) ⁣dtF(x) = \int_I f(x,t)\dd t berkelas C1C^1 pada JJ dan

F′(x)=∫I∂f∂x(x,t)  ⁣dt.F'(x) = \int_I \frac{\partial f}{\partial x}(x, t)\,\dd t .

Bukti. Tetapkan xx dan hn→0h_n \to 0. Hasil bagi selisihnya

F(x+hn)−F(x)hn=∫If(x+hn,t)−f(x,t)hn  ⁣dt\frac{F(x + h_n) - F(x)}{h_n} = \int_I \frac{f(x + h_n, t) - f(x, t)}{h_n}\,\dd t

punya integran yang konvergen titik demi titik ke ∂f∂x(x,t)\frac{\partial f}{\partial x}(x, t), dan terdominasi oleh ψ(t)\psi(t): sebab menurut ketaksamaan nilai rata-rata yang diterapkan pada xx dengan tt tetap,

∣f(x+hn,t)−f(x,t)hn∣≤sup⁡ξ∣∂f∂x(ξ,t)∣≤ψ(t).\Bigl|\frac{f(x + h_n, t) - f(x,t)}{h_n}\Bigr| \leq \sup_{\xi} \Bigl|\frac{\partial f}{\partial x}(\xi, t)\Bigr| \leq \psi(t) .

Kekonvergenan terdominasi memberi limit ∫I∂f∂x(x,t) ⁣dt\int_I \frac{\partial f}{\partial x}(x,t)\dd t bagi hasil baginya: jadi FF dapat diturunkan dengan turunan yang diumumkan tadi, yang kontinu menurut Teorema 9.10 yang diterapkan pada ∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}. ∎

Contoh 9.12 (Sebuah integral berparameter diperiksa terhadap rumusnya)

Misalkan F(x)=∫0∞ ⁣dtt2+xF(x) = \displaystyle\int_0^\infty \frac{\dd t}{t^2 + x} untuk x>0x > 0. Pada tiap [a, b]⊂(0, ∞)\intcc{a}{b} \subset \intoo{0}{\infty}, integrannya terdominasi oleh 1t2+a\frac{1}{t^2 + a}, yang terintegralkan dan tak bergantung pada xx: jadi FF kontinu (Teorema 9.10). Di sini teoremanya dapat diperiksa terhadap nilai gamblangnya:

F(x)=[1xarctan⁡tx]0∞=π2x,F(x) = \Bigl[\frac{1}{\sqrt x}\arctan\frac{t}{\sqrt x}\Bigr]_0^\infty = \frac{\pi}{2\sqrt x} ,

yang jelas kontinu. Kini turunkan di bawah integralnya: turunan terhadap xx, yakni −1(t2+x)2-\frac{1}{(t^2+x)^2}, terdominasi pada [a, b]\intcc ab oleh 1(t2+a)2\frac{1}{(t^2+a)^2} yang terintegralkan, jadi Teorema 9.11 memberi

F′(x)=−∫0∞ ⁣dt(t2+x)2sedangkanF′(x)=−π4 x−3/2,F'(x) = -\int_0^\infty \frac{\dd t}{(t^2 + x)^2} \qquad\text{sedangkan}\qquad F'(x) = -\frac{\pi}{4}\,x^{-3/2} ,

sehingga kita telah menghitung sebuah integral baru secara cuma-cuma: ∫0∞ ⁣dt(t2+x)2=π4x3/2\int_0^\infty\frac{\dd t}{(t^2+x)^2} = \frac{\pi}{4x^{3/2}}. Pelajaran penutupnya: menurunkan sebuah integral berparameter yang sudah dikenal adalah pabrik rumus baru — dan mengiterasikannya memberi ∫0∞ ⁣dt(t2+1)n\int_0^\infty\frac{\dd t}{(t^2+1)^n} untuk setiap nn, tanpa satu pun penyulihan trigonometri.

Metode 9.13 (Menelaah sebuah integral tak wajar)

Diberikan ∫abf\int_a^b f:

  1. Temukan masalahnya: daftarlah ujung (atau titik dalam) tempat ff tak terbatas atau tempat intervalnya tak hingga, lalu pecahlah sehingga tiap potongannya punya tepat satu ujung yang bermasalah.
  2. Jika ff bertanda tetap di dekat ujung itu, carilah yang setara lalu bandingkan dengan skala acuan pada Teorema 9.2.
  3. Jika ff berayun, ujilah ∣f∣\abs f lebih dulu (yakni kekonvergenan mutlaknya). Jika ∫∣f∣\int\abs f divergen, cobalah pengintegralan parsial untuk menukar ayunannya dengan peluruhan, seperti pada Contoh 9.5; sedangkan pembatasan bawah seperti ∣sin⁡t∣≥sin⁡2t\abs{\sin t} \geq \sin^2t mendeteksi semi-kekonvergenan yang sejati.
  4. Untuk nilainya, bukan sekadar sifatnya: pakailah pengintegralan parsial, penyulihan, atau sebuah parameter (turunkan integral yang lebih sederhana, seperti pada Contoh 9.12 dan Contoh 9.21).
  5. Pemeriksaan kewarasan atas nilai yang terhitung: periksa tanda dan ukuran kasarnya terhadap batas yang kasar (∫0∞e−t2 ⁣dt∈(0, 1+∫1∞e−t)\int_0^\infty \eu^{-t^2}\dd t \in \intoo{0}{1 + \int_1^\infty \eu^{-t}}, jadi π2≈0.886\frac{\sqrt\pi}{2} \approx 0.886 memang masuk akal); serta keselarasan dimensinya di bawah penskalaan (sebab t↦λtt \mapsto \lambda t wajib menskalakan kedua ruasnya dengan cara yang sama — yakni pendeteksi tercepat bagi faktor yang hilang).

Catatan 9.14 (Jebakan yang sering muncul)

Ada tiga galat yang berulang. (i) Pendominasi yang bergantung pada parameternya: dominasi ∣f(x,t)∣≤φ(t)\abs{f(x,t)} \leq \varphi(t) wajib seragam pada xx di himpunan yang ditinjau; lazimnya ia berlaku pada ruas [a, b]\intcc ab tetapi tidak secara global — sebab bagi ∫0∞e−xt ⁣dt\int_0^\infty\eu^{-xt}\dd t tak ada pendominasi terintegralkan yang sahih untuk setiap x>0x > 0, namun mendominasinya pada x≥a>0x \geq a > 0 sudah cukup untuk bekerja pada seluruh setengah-garis terbukanya, sebab kekontinuan dan turunan merupakan gagasan yang lokal. (ii) Membandingkan integran bertanda: kotak perkakas perbandingannya untuk fungsi tak negatif; dari ∣f∣≤g\abs f \leq g dengan ∫g\int g yang divergen kita tak dapat menyimpulkan apa pun — ∫1∞sin⁡tt  ⁣dt\int_1^\infty\frac{\sin t}t\,\dd t konvergen walaupun setiap pembandingan dengan 1t\frac1t gagal. (iii) Melupakan separuh masalahnya: pada (0, ∞)\intoo{0}{\infty} selalulah menelaah kedua ujungnya secara terpisah; sebab ∫0∞ ⁣dtt\int_0^\infty\frac{\dd t}{t} divergen di keduanya, dan pemecahan yang tampak konvergen dapat diam-diam mencoret dua ketakhinggaan. Refleks yang aman adalah daftar periksa pada Metode 9.13.

Contoh 9.15 (Sebuah kasus batas Bertrand, sampai ke angkanya)

Skala ∫∞ ⁣dtt(ln⁡t)β\int^\infty\frac{\dd t}{t(\ln t)^\beta} pada Teorema 9.2 duduk persis di tepi skala pangkatnya; kasus batasnya pantas mendapat satu perhitungan penuh. Untuk β=2\beta = 2:

∫e∞ ⁣dtt(ln⁡t)2=[−1ln⁡t]e∞=0−(−1)=1,\int_\eu^{\infty}\frac{\dd t}{t(\ln t)^2} = \Bigl[-\frac{1}{\ln t}\Bigr]_\eu^{\infty} = 0 - (-1) = 1 ,

yakni integral konvergen dengan nilai eksak yang menyenangkan; sedangkan untuk β=1\beta = 1,

∫ex ⁣dttln⁡t=[ln⁡ln⁡t]ex=ln⁡ln⁡x⟶∞,\int_\eu^{x}\frac{\dd t}{t\ln t} = \bigl[\ln\ln t\bigr]_\eu^{x} = \ln\ln x \longrightarrow \infty ,

jadi divergen — tetapi begitu lambat sehingga mencapai ln⁡ln⁡x=10\ln\ln x = 10 menuntut x=ee10≈109566x = \eu^{\eu^{10}} \approx 10^{9566}. Pelajaran penutupnya: di antara “setiap pangkat t−1−εt^{-1-\varepsilon} konvergen” dan “t−1t^{-1} divergen” hidup tangga tak hingga berisi skala logaritmik, yang masing-masing memperhalus yang sebelumnya; dan penyulihan u=ln⁡tu = \ln t meruntuhkan tiap anak tangganya ke anak tangga sebelumnya, sehingga kriteria Bertrand menggemakan kriteria Riemann satu tingkat di atasnya.

Catatan 9.16 (Pandangan ke depan di dalam jilid ini)

Perkakas bab ini sebentar lagi ada di mana-mana. Kekonvergenan terdominasi adalah mesin di balik identitas hampiran pada bab berikutnya (yakni kernel yang meluncur, baik Bernstein maupun Fejér); sedangkan kekontinuan dan penurunan di bawah tanda integral menghasilkan kalkulus koefisien Fourier pada bab Fourier, tempat setiap cn(f)c_n(f) merupakan integral berparameter yang menyamar. Fungsi Γ\Gamma kembali dua kali: pada bab integral lipat, tempat sebuah integral ganda akhirnya membuktikan rumus Beta–Gamma milik Euler selengkapnya, dan pada bab peluang, tempat integral bertipe Γ\Gamma menormalkan kepadatan bakunya lalu menghitung momennya. Adapun ∫sin⁡tt\int\frac{\sin t}{t} yang semi-konvergen muncul kembali sebagai konstanta Gibbs pada bab Fourier — integral yang sama, kini menakar lonjakan jumlah parsialnya di sebuah lompatan.

Definisi 9.17 (Fungsi Γ\Gamma)

Untuk x>0x > 0:

Γ(x)=∫0∞tx−1 e−t  ⁣dt,\Gamma(x) = \int_0^{\infty} t^{x-1}\,\eu^{-t}\,\dd t ,

yang konvergen di kedua ujungnya (sebab tx−1t^{x-1} terintegralkan di 0+0^+ untuk x>0x > 0; dan peluruhan eksponensialnya di ∞\infty).

Teorema 9.18

Fungsi Γ\Gamma kontinu pada (0, +∞)\intoo{0}{+\infty}, memenuhi persamaan fungsional

Γ(x+1)=x Γ(x),Γ(1)=1,sehinggaΓ(n+1)=n!,\Gamma(x + 1) = x\,\Gamma(x), \qquad \Gamma(1) = 1, \qquad\text{sehingga}\qquad \Gamma(n + 1) = n! ,

dan berkelas C1C^1 (bahkan C∞C^\infty) dengan Γ′(x)=∫0∞tx−1e−tln⁡t  ⁣dt\Gamma'(x) = \int_0^\infty t^{x-1}\eu^{-t}\ln t\,\dd t.

Bukti. Persamaan fungsionalnya: integralkan secara parsial pada [ε, M]\intcc{\varepsilon}{M} lalu lepaskan ujungnya: ∫txe−t=[−txe−t]+x∫tx−1e−t\int t^{x}\eu^{-t} = [-t^x\eu^{-t}] + x\int t^{x-1}\eu^{-t}, dengan suku batasnya lenyap — memang εxe−ε→0\varepsilon^x\eu^{-\varepsilon} \to 0 ketika ε→0+\varepsilon \to 0^+ karena x>0x > 0, dan Mxe−M→0M^x\eu^{-M} \to 0 ketika M→∞M \to \infty karena eksponensial mengalahkan setiap pangkat; sedangkan kedua integral terpotongnya konvergen ke nilai tak wajarnya berkat kekonvergenan yang sudah ditegakkan pada Definisi 9.17. Lalu Γ(1)=∫e−t=1\Gamma(1) = \int \eu^{-t} = 1; dan induksi memberi faktorialnya.

Kekontinuannya pada [a, b]⊂(0, ∞)\intcc{a}{b} \subset \intoo{0}{\infty}: dominasilah tx−1e−tt^{x-1}\eu^{-t} oleh φ(t)=(ta−1+tb−1)e−t\varphi(t) = (t^{a-1} + t^{b-1})\eu^{-t}, yang terintegralkan dan tak bergantung pada x∈[a, b]x \in \intcc{a}{b}: jadi Teorema 9.10 berlaku pada tiap ruas semacam itu, sehingga pada seluruh setengah-garisnya. Keterdiferensialannya: turunan terhadap xx, yakni tx−1e−tln⁡tt^{x-1}\eu^{-t}\ln t, terdominasi pada [a, b]\intcc{a}{b} oleh (ta−1+tb−1)e−t ∣ln⁡t∣(t^{a-1} + t^{b-1})\eu^{-t}\,\abs{\ln t}, yang tetap terintegralkan: jadi Teorema 9.11; lalu mengiterasikannya memberi semua turunannya (sebab tiap kali bertambah satu pangkat ln⁡t\ln t, yang tak berbahaya). ∎

Contoh 9.19 (Faktorial setengah bulat)

Persamaan fungsionalnya beserta Γ(12)=π\Gamma\bigl(\frac12\bigr) = \sqrt\pi (yang berjarak satu penyulihan dari Latihan 9.8: ambil t=u2t = u^2 pada integral pendefinisinya) menghasilkan semua nilai setengah bulatnya:

Γ(32)=12 Γ(12)=π2,Γ(52)=32⋅π2=3π4,Γ(72)=15π8.\Gamma\Bigl(\frac32\Bigr) = \frac12\,\Gamma\Bigl(\frac12\Bigr) = \frac{\sqrt\pi}{2}, \qquad \Gamma\Bigl(\frac52\Bigr) = \frac32\cdot\frac{\sqrt\pi}{2} = \frac{3\sqrt\pi}{4}, \qquad \Gamma\Bigl(\frac72\Bigr) = \frac{15\sqrt\pi}{8} .

Karena Γ(n+1)=n!\Gamma(n+1) = n!, adil kiranya mengatakan “12!=π2≈0.886\frac12! = \frac{\sqrt\pi}{2} \approx 0.886”: jadi faktorialnya telah diinterpolasi, dan kurva penginterpolasinya menukik di bawah 11 di antara 0!=10! = 1 dan 1!=11! = 1 (dengan minimumnya ≈0.8856\approx 0.8856 di x≈1.4616x \approx 1.4616, yang cocok dengan gambaran kecembungan pada Bagian I soal akhir pekan). Pelajaran penutupnya: tak ada yang mengistimewakan bilangan bulat di dalam integral ∫0∞tx−1e−t ⁣dt\int_0^\infty t^{x-1}\eu^{-t}\dd t — kediskretan faktorialnya hanyalah kebetulan dari pencacahan, dan π\sqrt\pi itulah yang hidup di antara 11 dan 11.

Catatan 9.20 (Ke mana Γ\Gamma melangkah setelah ini)

Soal akhir pekan bab ini membangun seluruh kalkulus Euler di sekitar Γ\Gamma: yakni fungsi Beta, rekursi pengintegralan parsialnya, integral Wallis sebagai nilai Beta, dan rumus limit Gauss. Bab integral lipat membuktikan rumus Beta–Gamma milik Euler untuk semua argumennya lewat sebuah integral ganda; sedangkan bab peluang menjumpai Γ\Gamma lagi pada penormalan kepadatan yang paling lazim dan pada momen waktu tunggu. Jilid Tahun ke-3 membangun ulang Γ\Gamma di atas landasan Lebesgue, membuktikan teorema ketunggalan Bohr–Mollerup, lalu memperluas rumus Stirling dari bilangan bulat ke setengah-garis real lewat kekonvergenan terdominasi.

Contoh 9.21 (Sebuah perhitungan klasik lewat penurunan)

Untuk x∈Rx \in \R, misalkan F(x)=∫0∞e−t2cos⁡(xt)  ⁣dtF(x) = \int_0^{\infty} \eu^{-t^2}\cos(xt)\,\dd t (yang konvergen mutlak, terdominasi oleh e−t2\eu^{-t^2}). Menurut Teorema 9.11 (dengan dominasi turunan terhadap xx oleh t e−t2t\,\eu^{-t^2} yang terintegralkan):

F′(x)=−∫0∞t e−t2sin⁡(xt)  ⁣dt=[e−t22sin⁡(xt)]0∞−x2∫0∞e−t2cos⁡(xt)  ⁣dt=−x2 F(x),F'(x) = -\int_0^\infty t\,\eu^{-t^2}\sin(xt)\,\dd t = \Bigl[\frac{\eu^{-t^2}}{2}\sin(xt)\Bigr]_0^\infty - \frac x2\int_0^\infty \eu^{-t^2}\cos(xt)\,\dd t = -\frac x2\,F(x),

(lewat pengintegralan parsial dengan u′=te−t2u' = t\eu^{-t^2}). Persamaan diferensial F′=−x2FF' = -\frac x2 F terintegralkan menjadi F(x)=F(0) e−x2/4F(x) = F(0)\,\eu^{-x^2/4}: jadi integral bertipe Gauss memproduksi dirinya sendiri. Konstantanya F(0)=∫0∞e−t2 ⁣dt=π2F(0) = \int_0^\infty \eu^{-t^2}\dd t = \frac{\sqrt\pi}{2} dihitung pada Latihan 9.8 — dan sekali lagi, lewat pengintegralan ganda, pada Bab 20.

9.4 Latihan

Latihan 9.1 ★

Sifat dari: ∫01 ⁣dtt(1−t)\displaystyle\int_0^1 \frac{\dd t}{\sqrt{t(1-t)}};   ∫1∞ln⁡tt2 ⁣dt\;\displaystyle\int_1^\infty \frac{\ln t}{t^2}\dd t;   ∫0∞ ⁣dt1+t2sin⁡2t\;\displaystyle\int_0^\infty \frac{\dd t}{1 + t^2\sin^2 t} (bandingkan dengan perilaku bertipe harmonik yang divergen di dekat t=nπt = n\pi).

Solusi

Solusi Latihan 9.1.

∫01 ⁣dtt(1−t)\int_0^1 \frac{\dd t}{\sqrt{t(1-t)}}: di dekat 00 ia ∼t−1/2\sim t^{-1/2} (dengan α=12<1\alpha = \frac12 < 1, jadi konvergen); di dekat 11 ia ∼(1−t)−1/2\sim (1-t)^{-1/2}, jadi konvergen. Karenanya konvergen (nilainya π\pi, lewat penyulihan t=sin⁡2θt = \sin^2\theta).

∫1∞ln⁡tt2\int_1^\infty \frac{\ln t}{t^2}: di sini ln⁡tt2=o(t−3/2)\frac{\ln t}{t^2} = o(t^{-3/2}), jadi konvergen (nilainya 11 lewat pengintegralan parsial).

∫0∞ ⁣dt1+t2sin⁡2t\int_0^\infty \frac{\dd t}{1 + t^2\sin^2 t}: divergen. Di dekat t=nπt = n\pi, tulis t=nπ+ut = n\pi + u: maka sin⁡2t=sin⁡2u≤u2\sin^2 t = \sin^2 u \leq u^2, jadi pada ∣u∣≤1n\abs u \leq \frac{1}{n} berlaku 1+t2sin⁡2t≤1+(nπ+1)2u2≤Cn2u2+11 + t^2\sin^2 t \leq 1 + (n\pi + 1)^2u^2 \leq C n^2 u^2 + 1; karenanya

∫nπ−1/nnπ+1/n ⁣dt1+t2sin⁡2t≥∫−1/n1/n ⁣du1+Cn2u2=2arctan⁡CC⋅1n,\int_{n\pi - 1/n}^{n\pi + 1/n} \frac{\dd t}{1 + t^2\sin^2 t} \geq \int_{-1/n}^{1/n} \frac{\dd u}{1 + Cn^2u^2} = \frac{2\arctan\sqrt C}{\sqrt C}\cdot\frac{1}{n} ,

yakni suku sebuah deret bertipe harmonik yang divergen: jadi setelah dijumlahkan atas nn, antiturunannya tak terbatas.

Latihan 9.2 ★

Hitunglah ∫0∞tne−λt  ⁣dt\displaystyle\int_0^\infty t^n \eu^{-\lambda t}\,\dd t (λ>0\lambda > 0) lewat Γ\Gamma, dan ∫01(ln⁡t)n ⁣dt\displaystyle\int_0^1 (\ln t)^n \dd t lewat penyulihan t=e−ut = \eu^{-u}.

Solusi

Solusi Latihan 9.2.

Sulihkan u=λtu = \lambda t:

∫0∞tne−λt ⁣dt=1λn+1∫0∞une−u ⁣du=Γ(n+1)λn+1=n!λn+1.\int_0^\infty t^n \eu^{-\lambda t}\dd t = \frac{1}{\lambda^{n+1}}\int_0^\infty u^n\eu^{-u}\dd u = \frac{\Gamma(n+1)}{\lambda^{n+1}} = \frac{n!}{\lambda^{n+1}} .

Dengan t=e−ut = \eu^{-u} (sehingga  ⁣dt=−e−u ⁣du\dd t = -\eu^{-u}\dd u):

∫01(ln⁡t)n ⁣dt=∫0∞(−u)ne−u  ⁣du=(−1)n n!.\int_0^1 (\ln t)^n \dd t = \int_0^{\infty} (-u)^n \eu^{-u}\,\dd u = (-1)^n\, n! .

Latihan 9.3 ★

Buktikan bahwa ∫0∞ ⁣dt(1+t2)(1+tx)\displaystyle\int_0^{\infty} \frac{\dd t}{(1 + t^2)(1 + t^x)} terdefinisi dengan baik untuk setiap x∈Rx \in \R dan tak bergantung pada xx. (Sulihkan t↦1tt \mapsto \frac1t lalu rata-ratakan kedua ungkapannya.) Berapa nilainya?

Solusi

Solusi Latihan 9.3.

Kekonvergenannya: integrannya ≤11+t2\leq \frac{1}{1+t^2} di dekat ∞\infty dan terbatas di dekat 00 (sebab kedua faktornya terbatas di bawah, menjauh dari 00): jadi konvergen mutlak untuk setiap xx. Dengan menyulihkan t=1ut = \frac1u (sehingga  ⁣dt=− ⁣duu2\dd t = -\frac{\dd u}{u^2}):

I(x)=∫0∞1(1+1u2)(1+u−x)⋅ ⁣duu2=∫0∞ux(1+u2)(1+ux)  ⁣du.I(x) = \int_0^\infty \frac{1}{\bigl(1 + \frac1{u^2}\bigr)\bigl(1 + u^{-x}\bigr)}\cdot\frac{\dd u}{u^2} = \int_0^\infty \frac{u^x}{(1 + u^2)(1 + u^x)}\,\dd u .

Setelah kedua ungkapan I(x)I(x) dijumlahkan:

2I(x)=∫0∞1+tx(1+t2)(1+tx) ⁣dt=∫0∞ ⁣dt1+t2=π2:2I(x) = \int_0^\infty \frac{1 + t^x}{(1+t^2)(1+t^x)}\dd t = \int_0^\infty \frac{\dd t}{1 + t^2} = \frac{\pi}{2} :

jadi I(x)=π4I(x) = \frac\pi4, yang tak bergantung pada xx.

Latihan 9.4 ★★

(Integral Bertrand di ujung yang hingga) Untuk (α,β)(\alpha, \beta) yang mana ∫01/2 ⁣dttα ∣ln⁡t∣β\displaystyle\int_0^{1/2} \frac{\dd t}{t^\alpha\,\abs{\ln t}^\beta} konvergen?

Solusi

Solusi Latihan 9.4.

Di dekat 0+0^+, dengan u=∣ln⁡t∣→∞u = \abs{\ln t} \to \infty. Jika α<1\alpha < 1: konvergen berapa pun β\beta (bandingkan dengan t−α′t^{-\alpha'} untuk α<α′<1\alpha < \alpha' < 1: sebab faktor logaritmanya terkalahkan). Jika α>1\alpha > 1: divergen berapa pun β\beta (bandingkan dengan t−α′′t^{-\alpha''} dengan 1<α′′<α1 < \alpha'' < \alpha). Jika α=1\alpha = 1: sulihkan t=e−ut = \eu^{-u}:

∫01/2 ⁣dtt ∣ln⁡t∣β=∫ln⁡2∞ ⁣duuβ,\int_0^{1/2} \frac{\dd t}{t\,\abs{\ln t}^\beta} = \int_{\ln 2}^{\infty} \frac{\dd u}{u^\beta},

yang konvergen bila dan hanya bila β>1\beta > 1. Ringkasnya: konvergen bila dan hanya bila α<1\alpha < 1, atau (α=1\alpha = 1 dan β>1\beta > 1) — yakni cerminan deret Bertrand.

Latihan 9.5 ★★

Misalkan F(x)=∫0∞e−xt1+t2  ⁣dtF(x) = \displaystyle\int_0^{\infty} \frac{\eu^{-xt}}{1 + t^2}\,\dd t untuk x≥0x \geq 0. Buktikan bahwa FF kontinu pada [0, ∞)\intco{0}{\infty}, berkelas C2C^2 pada (0, ∞)\intoo{0}{\infty}, memenuhi F′′+F=1xF'' + F = \frac1x di sana, dan bahwa F(x)→0F(x) \to 0 ketika x→+∞x \to +\infty.

Solusi

Solusi Latihan 9.5.

Kekontinuannya pada [0, ∞)\intco{0}{\infty}: lewat dominasi ∣e−xt1+t2∣≤11+t2\bigl|\frac{\eu^{-xt}}{1+t^2}\bigr| \leq \frac{1}{1+t^2}, yang terintegralkan dan seragam pada x≥0x \geq 0: jadi Teorema 9.10.

Kelas C2C^2 pada (0, ∞)\intoo{0}{\infty}: pada x≥a>0x \geq a > 0, kedua turunan pertamanya terhadap xx, yakni −t e−xt1+t2\frac{-t\,\eu^{-xt}}{1+t^2} dan t2e−xt1+t2\frac{t^2\eu^{-xt}}{1+t^2}, terdominasi oleh t e−att\,\eu^{-at} dan e−at\eu^{-at}: jadi dua kali penerapan Teorema 9.11. Maka

F′′(x)+F(x)=∫0∞t2+11+t2 e−xt ⁣dt=∫0∞e−xt ⁣dt=1x.F''(x) + F(x) = \int_0^\infty \frac{t^2 + 1}{1 + t^2}\,\eu^{-xt}\dd t = \int_0^\infty \eu^{-xt}\dd t = \frac1x .

Limitnya: 0≤F(x)≤∫0∞e−xt ⁣dt=1x→00 \leq F(x) \leq \int_0^\infty \eu^{-xt}\dd t = \frac1x \to 0.

Latihan 9.6 ★★

(Frullani) Misalkan ff kontinu pada [0, +∞)\intco{0}{+\infty} dengan limit hingga f(∞)f(\infty) di +∞+\infty. Buktikan bahwa untuk a,b>0a, b > 0:

∫0∞f(at)−f(bt)t  ⁣dt=(f(0)−f(∞)) ln⁡ba.\int_0^{\infty} \frac{f(at) - f(bt)}{t}\,\dd t = \bigl(f(0) - f(\infty)\bigr)\,\ln\frac ba .

(Pada [ε, M]\intcc{\varepsilon}{M}, sulihkan pada tiap potongannya lalu kelompokkan ulang menjadi ∫aεbε−∫aMbM\int_{a\varepsilon}^{b\varepsilon} - \int_{aM}^{bM} atas f(u)u  ⁣du\frac{f(u)}u\,\dd u; lalu apitlah dengan memakai kekontinuannya di 00 dan limitnya di ∞\infty.) Hitunglah ∫0∞e−t−e−2tt ⁣dt\int_0^\infty \frac{\eu^{-t} - \eu^{-2t}}{t}\dd t.

Solusi

Solusi Latihan 9.6.

Pada [ε, M]\intcc{\varepsilon}{M}, sulihkan u=atu = at dan u=btu = bt pada kedua paruhnya:

∫εMf(at)−f(bt)t ⁣dt=∫aεaMf(u)u ⁣du−∫bεbMf(u)u ⁣du=∫aεbεf(u)u ⁣du−∫aMbMf(u)u ⁣du.\int_\varepsilon^M \frac{f(at) - f(bt)}{t}\dd t = \int_{a\varepsilon}^{aM}\frac{f(u)}{u}\dd u - \int_{b\varepsilon}^{bM}\frac{f(u)}{u}\dd u = \int_{a\varepsilon}^{b\varepsilon} \frac{f(u)}{u}\dd u - \int_{aM}^{bM} \frac{f(u)}{u}\dd u .

Potongan pertamanya: f(u)=f(0)+o(1)f(u) = f(0) + o(1) di dekat 00, dan ∫aεbε ⁣duu=ln⁡ba\int_{a\varepsilon}^{b\varepsilon} \frac{\dd u}{u} = \ln\frac ba: jadi potongan itu menuju f(0)ln⁡baf(0)\ln\frac ba. Potongan keduanya: f(u)→f(∞)f(u) \to f(\infty), dengan perhitungan yang sama, jadi ia menuju f(∞)ln⁡baf(\infty)\ln\frac ba. Karenanya integral tak wajarnya konvergen ke (f(0)−f(∞))ln⁡ba\bigl(f(0) - f(\infty)\bigr)\ln\frac ba.

Dengan f(t)=e−tf(t) = \eu^{-t} (sehingga f(0)=1f(0) = 1, f(∞)=0f(\infty) = 0), a=1a = 1 dan b=2b = 2:

∫0∞e−t−e−2tt ⁣dt=ln⁡2.\int_0^\infty \frac{\eu^{-t} - \eu^{-2t}}{t}\dd t = \ln 2 .

Latihan 9.7 ★★

Berilah pembenaran lalu hitunglah lim⁡n→∞∫0n(1−tn) ⁣ntx−1  ⁣dt\lim_{n\to\infty} \displaystyle\int_0^n \Bigl(1 - \frac tn\Bigr)^{\!n} t^{x-1}\,\dd t untuk x>0x > 0 (lewat kekonvergenan terdominasi dengan φ(t)=e−ttx−1\varphi(t) = \eu^{-t}t^{x-1}, memakai (1−t/n)n≤e−t(1 - t/n)^n \leq \eu^{-t}; limitnya Γ(x)\Gamma(x)).

Solusi

Solusi Latihan 9.7.

Perluaslah integrannya oleh 00 di luar t=nt = n: gn(t)=(1−tn)ntx−11t≤ng_n(t) = (1 - \frac tn)^n t^{x-1}\mathbf{1}_{t \leq n}. Titik demi titik, gn(t)→e−ttx−1g_n(t) \to \eu^{-t}t^{x-1} (yaitu limit bunga majemuk pada jilid Tahun ke-1). Dominasinya: ln⁡(1−u)≤−u\ln(1 - u) \leq -u memberi (1−tn)n≤e−t(1 - \frac tn)^n \leq \eu^{-t} pada [0, n]\intcc{0}{n}, jadi ∣gn(t)∣≤e−ttx−1=φ(t)\abs{g_n(t)} \leq \eu^{-t}t^{x-1} = \varphi(t), yang terintegralkan. Kekonvergenan terdominasi memberi

∫0n(1−tn)ntx−1 ⁣dt→n→∞∫0∞e−ttx−1 ⁣dt=Γ(x).\int_0^n \Bigl(1 - \frac tn\Bigr)^n t^{x-1}\dd t \xrightarrow[n\to\infty]{} \int_0^\infty \eu^{-t}t^{x-1}\dd t = \Gamma(x) .

(Menghitung ruas kirinya lewat pengintegralan parsial yang berulang memberi bentuk hasil kali Euler Γ(x)=lim⁡n! nxx(x+1)⋯(x+n)\Gamma(x) = \lim \frac{n!\,n^x}{x(x+1)\cdots(x+n)}.)

Latihan 9.8 ★★★

(Integral Gauss lewat siasat parameter) Untuk x≥0x \geq 0 tetapkan

G(x)=(∫0xe−t2 ⁣dt) ⁣2,H(x)=∫01e−x2(1+t2)1+t2  ⁣dt.G(x) = \Bigl(\int_0^x \eu^{-t^2}\dd t\Bigr)^{\!2}, \qquad H(x) = \int_0^1 \frac{\eu^{-x^2(1+t^2)}}{1 + t^2}\,\dd t .

Buktikan bahwa G′+H′=0G' + H' = 0 (turunkan HH di bawah integralnya lalu sulihkan u=xtu = xt pada integral yang dihasilkannya), lalu turunkan G(x)+H(x)=π4G(x) + H(x) = \frac\pi4 untuk setiap xx, dan simpulkan

∫0∞e−t2  ⁣dt=π2.\int_0^{\infty} \eu^{-t^2}\,\dd t = \frac{\sqrt\pi}{2} .
Solusi

Solusi Latihan 9.8.

Fungsi HH dapat diturunkan terhadap xx (sebab integrannya C1C^1 pada xx, dengan turunan −2x(1+t2)⋅e−x2(1+t2)1+t2=−2x e−x2e−x2t2-2x(1+t^2)\cdot\frac{\eu^{-x^2(1+t^2)}}{1+t^2} = -2x\,\eu^{-x^2}\eu^{-x^2t^2}, yang kontinu dan terbatas pada himpunan kompak dalam xx, sedangkan dominasinya atas t∈[0, 1]t \in \intcc{0}{1} sepele):

H′(x)=−2x e−x2∫01e−x2t2  ⁣dt=u=xt−2 e−x2∫0xe−u2  ⁣du=−G′(x),H'(x) = -2x\,\eu^{-x^2}\int_0^1 \eu^{-x^2t^2}\,\dd t \overset{u = xt}{=} -2\,\eu^{-x^2}\int_0^x \eu^{-u^2}\,\dd u = -G'(x),

sebab G′(x)=2e−x2∫0xe−t2 ⁣dtG'(x) = 2\eu^{-x^2}\int_0^x \eu^{-t^2}\dd t (lewat aturan rantai pada kuadratnya dan teorema dasar kalkulus). Jadi G+HG + H bersifat konstan, sama dengan G(0)+H(0)=0+∫01 ⁣dt1+t2=π4G(0) + H(0) = 0 + \int_0^1 \frac{\dd t}{1+t^2} = \frac\pi4.

Ketika x→∞x \to \infty: 0≤H(x)≤e−x2∫01 ⁣dt→00 \leq H(x) \leq \eu^{-x^2}\int_0^1 \dd t \to 0, jadi G(x)→π4G(x) \to \frac\pi4:

∫0∞e−t2 ⁣dt=π4=π2.\int_0^\infty \eu^{-t^2}\dd t = \sqrt{\frac\pi4} = \frac{\sqrt\pi}{2} .

(Akibatnya Γ(12)=2∫0∞e−t2 ⁣dt=π\Gamma\bigl(\frac12\bigr) = 2\int_0^\infty \eu^{-t^2}\dd t = \sqrt\pi, lewat penyulihan t=ut = \sqrt u.)

Latihan 9.9 ★★★

Buktikan bahwa Γ\Gamma bersifat log-cembung: yakni ln⁡Γ\ln\Gamma cembung pada (0, ∞)\intoo{0}{\infty}. (Cauchy–Schwarz untuk integral yang diterapkan pada t(x+y)/2−1e−t=(tx−1e−t)1/2(ty−1e−t)1/2t^{(x+y)/2 - 1}\eu^{-t} = \bigl(t^{x-1}\eu^{-t}\bigr)^{1/2} \bigl(t^{y-1}\eu^{-t}\bigr)^{1/2} memberi Γ(x+y2)2≤Γ(x)Γ(y)\Gamma\bigl(\frac{x+y}{2}\bigr)^2 \leq \Gamma(x)\Gamma(y); lalu padukan dengan kekontinuan dan Latihan 8.8.)

Solusi

Solusi Latihan 9.9.

Cauchy–Schwarz (jilid Tahun ke-1, yang sahih pada [ε, M]\intcc{\varepsilon}{M} lalu dilewatkan ke limitnya) yang diterapkan pada pemfaktoran tx+y2−1e−t=(tx−1e−t)1/2(ty−1e−t)1/2t^{\frac{x+y}{2}-1}\eu^{-t} = \bigl(t^{x-1}\eu^{-t}\bigr)^{1/2} \bigl(t^{y-1}\eu^{-t}\bigr)^{1/2} memberi

Γ(x+y2)≤Γ(x)1/2 Γ(y)1/2⟹ln⁡Γ(x+y2)≤ln⁡Γ(x)+ln⁡Γ(y)2:\Gamma\Bigl(\frac{x+y}{2}\Bigr) \leq \Gamma(x)^{1/2}\,\Gamma(y)^{1/2} \quad\Longrightarrow\quad \ln\Gamma\Bigl(\frac{x+y}{2}\Bigr) \leq \frac{\ln\Gamma(x) + \ln\Gamma(y)}{2} :

jadi ln⁡Γ\ln\Gamma cembung titik-tengah; dan karena ia kontinu (Teorema 9.18), ia cembung (Latihan 8.8). (Kelog-cembungan mengunci Γ\Gamma secara tunggal di antara semua interpolasi faktorialnya — itulah teorema Bohr–Mollerup, sebutir mutiara Tahun ke-3.)

Latihan 9.10 ★★★

(Integral Dirichlet) Tetapkan F(x)=∫0∞sin⁡tt e−xt  ⁣dtF(x) = \displaystyle\int_0^{\infty} \frac{\sin t}{t}\,\eu^{-xt}\,\dd t untuk x>0x > 0.

  1. Berilah pembenaran bagi F′(x)=−11+x2F'(x) = -\frac{1}{1 + x^2} (turunkan di bawah integralnya; lalu hitung ∫0∞e−xtsin⁡t  ⁣dt\int_0^\infty \eu^{-xt}\sin t\,\dd t lewat dua kali pengintegralan parsial).
  2. Buktikan F(x)→0F(x) \to 0 ketika x→+∞x \to +\infty lalu turunkan F(x)=π2−arctan⁡xF(x) = \frac\pi2 - \arctan x.
  3. Dengan menerima kekontinuan FF di 0+0^+ (yakni sebuah teorema bertipe Abel), simpulkan nilai integral yang semi-konvergen itu:

    ∫0∞sin⁡tt  ⁣dt=π2.\int_0^{\infty} \frac{\sin t}{t}\,\dd t = \frac{\pi}{2}.
Solusi

Solusi Latihan 9.10.

  1. Pada x≥a>0x \geq a > 0: turunan integrannya terhadap xx adalah −sin⁡t e−xt-\sin t\,\eu^{-xt}, yang terdominasi oleh e−at\eu^{-at}, jadi Teorema 9.11 memberi F′(x)=−∫0∞e−xtsin⁡t  ⁣dtF'(x) = -\int_0^\infty \eu^{-xt}\sin t\,\dd t. Dua kali pengintegralan parsial (atau lewat eksponensial kompleks) memberi

    ∫0∞e−xtsin⁡t  ⁣dt=ℑ∫0∞e(−x+i)t ⁣dt=ℑ1x−i=11+x2.\int_0^\infty \eu^{-xt}\sin t\,\dd t = \Im \int_0^\infty \eu^{(-x+\iu)t}\dd t = \Im\frac{1}{x - \iu} = \frac{1}{1 + x^2} .
  2. Berlaku ∣F(x)∣≤∫0∞e−xt ⁣dt=1x→0\abs{F(x)} \leq \int_0^\infty \eu^{-xt}\dd t = \frac1x \to 0. Lalu mengintegralkan F′=−11+x2F' = -\frac{1}{1+x^2} dari xx sampai ∞\infty memberi 0−F(x)=−(π2−arctan⁡x)0 - F(x) = -\bigl(\frac\pi2 - \arctan x\bigr), jadi F(x)=π2−arctan⁡xF(x) = \frac\pi2 - \arctan x.
  3. Dengan melewatkan x→0+x \to 0^+ beserta kekontinuan yang diterima tadi: F(0+)=π2F(0^+) = \frac\pi2, sedangkan F(0)=∫0∞sin⁡tt ⁣dtF(0) = \int_0^\infty \frac{\sin t}{t}\dd t (yakni integral Dirichlet yang semi-konvergen, Contoh 9.5): jadi nilainya π2\frac\pi2.

Latihan 9.11 ★★

Berilah pembenaran bagi kekonvergenan ∫0∞(sin⁡tt) ⁣2 ⁣dt\displaystyle\int_0^\infty \Bigl(\frac{\sin t}{t}\Bigr)^{\!2}\dd t, lalu hitunglah lewat satu kali pengintegralan parsial dan Latihan 9.10:

∫0∞(sin⁡tt) ⁣2 ⁣dt=π2.\int_0^\infty \Bigl(\frac{\sin t}{t}\Bigr)^{\!2}\dd t = \frac{\pi}{2} .

(Nilainya sama dengan ∫0∞sin⁡tt ⁣dt\int_0^\infty \frac{\sin t}{t}\dd t — tetapi kali ini kekonvergenannya mutlak.)

Solusi

Solusi Latihan 9.11.

Kekonvergenannya: di dekat 00 integrannya diperluas secara kontinu oleh nilai 11 (sebab sin⁡t∼t\sin t \sim t); di tak hingga ia ≤t−2\leq t^{-2}, jadi konvergen mutlak. Pada [ε, M]\intcc{\varepsilon}{M}, integralkan secara parsial dengan u=sin⁡2tu = \sin^2 t dan v′=t−2v' = t^{-2}:

∫εMsin⁡2tt2 ⁣dt=[−sin⁡2tt]εM+∫εM2sin⁡tcos⁡tt ⁣dt=[−sin⁡2tt]εM+∫2ε2Msin⁡uu ⁣du\int_\varepsilon^M \frac{\sin^2 t}{t^2}\dd t = \Bigl[-\frac{\sin^2 t}{t}\Bigr]_\varepsilon^M + \int_\varepsilon^M \frac{2\sin t\cos t}{t}\dd t = \Bigl[-\frac{\sin^2 t}{t}\Bigr]_\varepsilon^M + \int_{2\varepsilon}^{2M} \frac{\sin u}{u}\dd u

(dengan u=2tu = 2t pada integral terakhirnya). Kurungnya menuju 00 di kedua ujungnya (sebab sin⁡2ε/ε≤ε\sin^2\varepsilon/\varepsilon \leq \varepsilon dan sin⁡2M/M≤1/M\sin^2 M/M \leq 1/M), sedangkan integral terakhirnya menuju ∫0∞sin⁡uu ⁣du=π2\int_0^\infty \frac{\sin u}{u}\dd u = \frac\pi2 (Latihan 9.10). Karenanya

∫0∞(sin⁡tt) ⁣2 ⁣dt=π2.\int_0^\infty \Bigl(\frac{\sin t}{t}\Bigr)^{\!2}\dd t = \frac\pi2 .

Latihan 9.12 ★★★

(Ekor Gauss) Untuk x>0x > 0 tetapkan T(x)=∫x∞e−t2 ⁣dtT(x) = \displaystyle \int_x^\infty \eu^{-t^2}\dd t.

  1. Dengan menulis e−t2=1−2t⋅(−2t e−t2)\eu^{-t^2} = \frac{1}{-2t}\cdot(-2t\,\eu^{-t^2}), integralkan secara parsial dua kali untuk memperoleh

    T(x)=e−x2(12x−14x3)+34∫x∞e−t2t4  ⁣dt.T(x) = \eu^{-x^2}\Bigl(\frac{1}{2x} - \frac{1}{4x^3}\Bigr) + \frac34\int_x^\infty \frac{\eu^{-t^2}}{t^4}\,\dd t .
  2. Batasilah sisanya: 0≤34∫x∞t−4e−t2 ⁣dt≤38x5 e−x20 \leq \frac34\int_x^\infty t^{-4}\eu^{-t^2}\dd t \leq \frac{3}{8x^5}\,\eu^{-x^2}, lalu turunkan pengapitannya

    e−x2(12x−14x3)≤T(x)≤e−x22x,sehinggaT(x)∼e−x22x(x→+∞).\eu^{-x^2}\Bigl(\frac{1}{2x} - \frac{1}{4x^3}\Bigr) \leq T(x) \leq \frac{\eu^{-x^2}}{2x}, \qquad\text{sehingga}\qquad T(x) \sim \frac{\eu^{-x^2}}{2x} \quad (x \to +\infty).
  3. Mengapa deret berselang-seling penuh yang diperoleh dengan mengiterasikan pengintegralan parsialnya tak pernah dapat konvergen untuk xx yang tetap? (Bandingkan pertumbuhan koefisien 1⋅3⋯(2k−1)1\cdot3\cdots(2k-1) dengan pangkat (2x2)k(2x^2)^k.)
Solusi

Solusi Latihan 9.12.

  1. Pengintegralan parsial dengan u=−12tu = \frac{-1}{2t} dan v′=−2t e−t2v' = -2t\,\eu^{-t^2} (sehingga v=e−t2v = \eu^{-t^2}) memberi

    T(x)=[−e−t22t]x∞−∫x∞e−t22t2 ⁣dt=e−x22x−∫x∞e−t22t2 ⁣dt.T(x) = \Bigl[\frac{-\eu^{-t^2}}{2t}\Bigr]_x^\infty - \int_x^\infty \frac{\eu^{-t^2}}{2t^2}\dd t = \frac{\eu^{-x^2}}{2x} - \int_x^\infty \frac{\eu^{-t^2}}{2t^2}\dd t .

    Alat yang sama pada integral barunya (dengan u=−14t3u = \frac{-1}{4t^3} dan v′=−2t e−t2v' = -2t\,\eu^{-t^2}):

    ∫x∞e−t22t2 ⁣dt=e−x24x3−34∫x∞e−t2t4 ⁣dt,\int_x^\infty \frac{\eu^{-t^2}}{2t^2}\dd t = \frac{\eu^{-x^2}}{4x^3} - \frac34\int_x^\infty \frac{\eu^{-t^2}}{t^4}\dd t ,

    sehingga diperoleh kesamaan yang diumumkan tadi.

  2. Satu kali pengintegralan parsial lagi membatasi sisanya:

    ∫x∞e−t2t4 ⁣dt=e−x22x5−52∫x∞e−t2t6 ⁣dt≤e−x22x5,\int_x^\infty \frac{\eu^{-t^2}}{t^4}\dd t = \frac{\eu^{-x^2}}{2x^5} - \frac52\int_x^\infty\frac{\eu^{-t^2}}{t^6}\dd t \leq \frac{\eu^{-x^2}}{2x^5},

    jadi 0≤34∫x∞t−4e−t2 ⁣dt≤38x5e−x20 \leq \frac34\int_x^\infty t^{-4}\eu^{-t^2}\dd t \leq \frac{3}{8x^5}\eu^{-x^2}. Membuang sisa yang positif pada kesamaan pertanyaan 1 memberi batas bawahnya; sedangkan membuang suku kedua yang negatif pada pengintegralan parsial pertamanya memberi T(x)≤e−x22xT(x) \leq \frac{\eu^{-x^2}}{2x}. Setelah pengapitannya dibagi e−x22x\frac{\eu^{-x^2}}{2x}: rasionya terapit di antara 1−12x21 - \frac{1}{2x^2} dan 11, jadi T(x)∼e−x22xT(x) \sim \frac{\eu^{-x^2}}{2x}.

  3. Mengiterasikan pengintegralan parsialnya menghasilkan deret formal

    T(x)≈e−x22x(1−12x2+1⋅3(2x2)2−1⋅3⋅5(2x2)3+⋯ ),T(x) \approx \frac{\eu^{-x^2}}{2x}\Bigl(1 - \frac{1}{2x^2} + \frac{1\cdot3}{(2x^2)^2} - \frac{1\cdot3\cdot5}{(2x^2)^3} + \cdots\Bigr),

    yang koefisien ke-kk-nya 1⋅3⋯(2k−1)=(2k)!2kk!1\cdot3\cdots(2k-1) = \frac{(2k)!}{2^k k!} tumbuh lebih cepat daripada barisan geometri mana pun: sebab untuk xx yang tetap, suku 1⋅3⋯(2k−1)(2x2)k\frac{1\cdot3\cdots(2k-1)}{(2x^2)^k} menuju tak hingga (rasionya 2k+12x2→∞\frac{2k+1}{2x^2} \to \infty), sehingga deretnya divergen untuk setiap xx. Ia sebuah uraian asimtotik: dipotong pada orde tetap mana pun, galatnya seorde dengan suku pertama yang dibuang ketika x→∞x \to \infty — tetapi tak pernah menjadi deret yang konvergen. (Taksiran ekor ini adalah batas ekor Gauss yang baku pada bab peluang.)

9.5 Soal: Integral Euler — Beta, Gamma, dan rumus limit Gauss

Soal 9.1

Fungsi Γ\Gamma pada Definisi 9.17 adalah satu paruh kalkulus integral milik Euler; paruh satunya adalah fungsi Beta

B(x,y)=∫01tx−1(1−t)y−1  ⁣dt.B(x, y) = \int_0^1 t^{x-1}(1 - t)^{y-1}\,\dd t .

Soal ini mengembangkan pasangan (Γ,B)(\Gamma, B) hanya dengan perkakas bab ini — pengintegralan parsial, penyulihan, dan kekonvergenan terdominasi — lalu memuncak pada rumus Beta–Gamma milik Euler B(x,y)=Γ(x)Γ(y)Γ(x+y)B(x,y) = \frac{\Gamma(x)\Gamma(y)} {\Gamma(x+y)} pada bilangan setengah bulat, dan pada rumus limit Gauss bagi Γ\Gamma. Di sepanjang jalan, integral Wallis pada Lema 6.11 muncul kembali sebagai nilai Beta, dan rumus duplikasi Legendre pun jatuh dengan sendirinya.

Bagian I — Struktur halus Γ\Gamma.

  1. Ingat kembali mengapa Γ(x)=∫0∞tx−1e−t ⁣dt\Gamma(x) = \int_0^\infty t^{x-1}\eu^{-t}\dd t konvergen persis untuk x>0x > 0, lalu tunjukkan

    Γ(x)∼1x(x→0+)\Gamma(x) \sim \frac1x \qquad (x \to 0^+)

    (lewat persamaan fungsionalnya ditambah kekontinuan Γ\Gamma di 11).

  2. Buktikan Γ(12)=π\Gamma\bigl(\tfrac12\bigr) = \sqrt\pi (sulihkan t=u2t = u^2 lalu panggil Latihan 9.8), lalu turunkan ∫Re−u2/2 ⁣du=2π\int_\R \eu^{-u^2/2}\dd u = \sqrt{2\pi}.
  3. Tunjukkan secara induktif, untuk n∈Nn \in \N:

    Γ(n+12)=(2n)!4n n! π.\Gamma\Bigl(n + \frac12\Bigr) = \frac{(2n)!}{4^n\,n!}\,\sqrt\pi .
  4. Berilah pembenaran bagi Γ′′(x)=∫0∞tx−1e−t(ln⁡t)2 ⁣dt>0\Gamma''(x) = \int_0^\infty t^{x-1}\eu^{-t}(\ln t)^2\dd t > 0, lalu turunkan bahwa Γ\Gamma cembung tegas, mencapai minimum tunggal di suatu x0∈(1, 2)x_0 \in \intoo{1}{2} (sebab Γ(1)=Γ(2)=1\Gamma(1) = \Gamma(2) = 1 dan Rolle), turun pada (0, x0)\intoo{0}{x_0} lalu naik pada (x0, ∞)\intoo{x_0}{\infty}.
  5. Tunjukkan bahwa Γ\Gamma mengalahkan setiap pangkat: untuk tiap k∈Nk \in \N berlaku xk=o(Γ(x))x^k = o\bigl(\Gamma(x)\bigr) ketika x→+∞x \to +\infty (apitlah xx di antara bilangan bulat lalu pakai Γ(n+1)=n!\Gamma(n+1) = n! beserta kemonotonan pertanyaan 4).

Bagian II — Fungsi Beta, lewat pengintegralan parsial.

  1. Tunjukkan bahwa B(x,y)B(x,y) konvergen persis untuk x>0x > 0 dan y>0y > 0, dan bahwa B(x,y)=B(y,x)B(x,y) = B(y,x).
  2. Hitunglah B(x,1)=1xB(x, 1) = \frac1x, lalu buktikan lewat pengintegralan parsial, untuk x,y>0x, y > 0:

    B(x,y+1)=yx B(x+1,y).B(x, y+1) = \frac{y}{x}\,B(x+1, y) .
  3. Dari pemecahan tx−1(1−t)y−1=tx(1−t)y−1+tx−1(1−t)yt^{x-1}(1-t)^{y-1} = t^{x}(1-t)^{y-1} + t^{x-1}(1-t)^{y} turunkan B(x,y)=B(x+1,y)+B(x,y+1)B(x,y) = B(x+1,y) + B(x,y+1), lalu padukan dengan pertanyaan 7 menjadi relasi penurunan

    B(x,y+1)=yx+y B(x,y),B(x+1,y)=xx+y B(x,y).B(x, y+1) = \frac{y}{x+y}\,B(x,y), \qquad B(x+1, y) = \frac{x}{x+y}\,B(x,y) .
  4. Turunkan, untuk bilangan bulat m,n≥1m, n \geq 1:

    B(m,n)=(m−1)! (n−1)!(m+n−1)!=1(m+n−1)(m+n−2m−1).B(m, n) = \frac{(m-1)!\,(n-1)!}{(m+n-1)!} = \frac{1}{(m+n-1)\binom{m+n-2}{m-1}} .
  5. Buktikan rumus Euler untuk satu argumen bulat: untuk setiap x>0x > 0 dan n∈N∗n \in \N^*,

    B(x,n)=Γ(x) Γ(n)Γ(x+n)B(x, n) = \frac{\Gamma(x)\,\Gamma(n)}{\Gamma(x + n)}

    (secara induktif pada nn: kedua ruasnya sama dengan 1x\frac1x di n=1n = 1 dan menuruti relasi penurunan yang sama).

Bagian III — Integral Wallis sebagai nilai Beta.

  1. Sulihkan t=sin⁡2θt = \sin^2\theta untuk memperoleh bentuk trigonometrinya

    B(x,y)=2∫0π/2sin⁡2x−1θ cos⁡2y−1θ  ⁣dθ.B(x, y) = 2\int_0^{\pi/2} \sin^{2x-1}\theta\,\cos^{2y-1}\theta\,\dd\theta .
  2. Turunkan Wn=12 B(n+12,12)W_n = \frac12\,B\bigl(\frac{n+1}2, \frac12\bigr) bagi integral Wallis Wn=∫0π/2sin⁡nθ  ⁣dθW_n = \int_0^{\pi/2}\sin^n \theta\,\dd\theta, lalu peroleh kembali rekurensi Wn=n−1nWn−2W_n = \frac{n-1}{n}W_{n-2} pada Lema 6.11 hanya dari relasi penurunan pertanyaan 8.
  3. Hitunglah B(12,12)=2W0=πB\bigl(\frac12, \frac12\bigr) = 2W_0 = \pi lalu periksalah terhadap Γ(12)2/Γ(1)\Gamma\bigl(\frac12\bigr)^2/\Gamma(1): jadi rumus Euler berlaku di (12,12)\bigl(\frac12, \frac12\bigr).
  4. Turunkan bentuk tertutup W2n=π2 (2n)!4n(n!)2W_{2n} = \frac\pi2\, \frac{(2n)!}{4^n(n!)^2} dari rekurensinya, lalu periksalah

    B(n+12,12)=Γ(n+12)Γ(12)Γ(n+1).B\Bigl(n + \frac12, \frac12\Bigr) = \frac{\Gamma\bigl(n + \frac12\bigr)\Gamma\bigl( \frac12\bigr)}{\Gamma(n+1)} .

    Simpulkan, secara induktif dengan relasi penurunannya, bahwa rumus Euler B(x,y)=Γ(x)Γ(y)Γ(x+y)B(x,y) = \frac{\Gamma(x)\Gamma(y)}{\Gamma(x+y)} berlaku setiap kali 2x2x dan 2y2y merupakan bilangan bulat positif.

  5. Sulihkan u=t1−tu = \frac{t}{1-t} untuk memperoleh bentuk klasik ketiganya

    B(x,y)=∫0∞ux−1(1+u)x+y  ⁣du,B(x,y) = \int_0^\infty \frac{u^{x-1}}{(1+u)^{x+y}}\,\dd u ,

    lalu periksalah kasus x=y=12x = y = \frac12 secara langsung (sebab u=v2u = v^2 menyusutkannya menjadi ∫0∞2  ⁣dv1+v2\int_0^\infty\frac{2\,\dd v}{1+v^2}).

Bagian IV — Rumus limit Gauss.

  1. Untuk x>0x > 0 dan n∈N∗n \in \N^*, buktikan lewat nn kali pengintegralan parsial berturut-turut:

    ∫0n(1−tn) ⁣ntx−1  ⁣dt=n!  nxx(x+1)⋯(x+n).\int_0^n \Bigl(1 - \frac tn\Bigr)^{\!n} t^{x-1}\,\dd t = \frac{n!\;n^x}{x(x+1)\cdots(x+n)} .
  2. Rampungkan dengan Latihan 9.7 (yakni kekonvergenan terdominasi) sehingga diperoleh rumus limit Gauss:

    Γ(x)=lim⁡n→∞n!  nxx(x+1)⋯(x+n)(x>0).\Gamma(x) = \lim_{n\to\infty} \frac{n!\;n^x}{x(x+1)\cdots(x+n)} \qquad (x > 0).
  3. Dengan mengambil logaritmanya, tunjukkan bahwa untuk x>0x > 0:

    ln⁡Γ(x)=−ln⁡x−γx+∑k=1∞(xk−ln⁡(1+xk)),\ln\Gamma(x) = -\ln x - \gamma x + \sum_{k=1}^{\infty}\Bigl(\frac xk - \ln\Bigl(1 + \frac xk\Bigr)\Bigr),

    dengan γ\gamma menyatakan konstanta Euler (Contoh 6.7); lalu berilah pembenaran bagi kekonvergenan deretnya (sebab suku umumnya ∼x22k2\sim \frac{x^2}{2k^2}).

  4. Pakailah rumus Gauss di x=12x = \frac12 beserta asimtotik koefisien binomial pusat (2nn)∼4nπn\binom{2n}{n} \sim \frac{4^n}{\sqrt{\pi n}} (Contoh 6.14) untuk menghitung ulang Γ(12)=π\Gamma\bigl(\frac12\bigr) = \sqrt\pi: jadi konstanta Stirling dan integral Gauss adalah bilangan yang sama dalam dua samaran.
  5. Periksalah bahwa rumus Gauss membuktikan ulang persamaan fungsionalnya: dari kesamaan eksak

    n! nx+1(x+1)⋯(x+n+1)=n! nxx(x+1)⋯(x+n)⋅n xx+n+1,\frac{n!\,n^{x+1}}{(x+1)\cdots(x+n+1)} = \frac{n!\,n^{x}}{x(x+1)\cdots(x+n)}\cdot \frac{n\,x}{x+n+1},

    simpulkan Γ(x+1)=x Γ(x)\Gamma(x+1) = x\,\Gamma(x) sekali lagi. (Rumus Gauss menentukan Γ\Gamma secara tuntas; sedangkan jilid Tahun ke-3 membuktikan teorema Bohr–Mollerup yang lebih tajam: yakni persamaan fungsionalnya ditambah kelog-cembungannya sudah mengunci Γ\Gamma.)

Bagian V — Panennya.

  1. Untuk a>0a > 0 tunjukkan ∫0∞e−ta ⁣dt=Γ(1+1a)\int_0^\infty \eu^{-t^a}\dd t = \Gamma\bigl(1 + \frac1a\bigr), lalu hitunglah limitnya ketika a→+∞a \to +\infty lewat kekonvergenan terdominasi (dengan limit titik demi titik 1t<1\mathbf 1_{t < 1}; dan dominasilah oleh 11 pada (0, 1]\intoc{0}{1} serta oleh e−t2\eu^{-t^2} di luarnya, untuk a≥2a \geq 2). Periksalah jawabannya terhadap kekontinuan Γ\Gamma.
  2. Untuk n≥1n \geq 1 tunjukkan

    ∫01 ⁣dt1−tn=1n B(1n,12),\int_0^1 \frac{\dd t}{\sqrt{1 - t^n}} = \frac1n\,B\Bigl(\frac1n, \frac12\Bigr),

    lalu peroleh kembali nilai 22 (untuk n=1n = 1) dan π2\frac\pi2 (untuk n=2n = 2). (Untuk n=4n = 4 inilah konstanta lemniskat, yang tak punya bentuk tertutup yang elementer; kisahnya menjadi bagian teori integral eliptik.)

  3. (Momen) Untuk x>0x > 0 dan k∈Nk \in \N, tunjukkan

    1Γ(x)∫0∞tk tx−1e−t  ⁣dt=Γ(x+k)Γ(x)=x(x+1)⋯(x+k−1),\frac{1}{\Gamma(x)}\int_0^\infty t^{k}\,t^{x-1}\eu^{-t}\,\dd t = \frac{\Gamma(x+k)}{\Gamma(x)} = x(x+1)\cdots(x+k-1),

    yakni faktorial naiknya; lalu periksalah bahwa x=1x = 1 memberi k!k!. (Pada bab peluang, inilah momen ke-kk sebuah kepadatan waktu tunggu yang baku.)

  4. Buktikan kesamaan Beta berikut, yang sahih untuk setiap x>0x > 0:

    B(x,x)=21−2x B(x,12)B(x, x) = 2^{1-2x}\,B\Bigl(x, \frac12\Bigr)

    (sulihkan t=1+s2t = \frac{1+s}2, manfaatkan kesetangkupannya pada ss, lalu ambil s=vs = \sqrt v). Lalu turunkan, untuk 2x∈N∗2x \in \N^*, rumus duplikasi Legendre

    Γ(x) Γ(x+12)=21−2x π  Γ(2x),\Gamma(x)\,\Gamma\Bigl(x + \frac12\Bigr) = 2^{1-2x}\,\sqrt\pi\;\Gamma(2x),

    dan periksalah secara langsung di x=nx = n lewat pertanyaan 3. (Untuk xx yang umum ia menyusul dari kesamaan yang sama begitu rumus Euler diketahui untuk semua argumennya — lewat bukti integral ganda pada bab integral lipat.)

  5. Rangkuman. Satu kalimat untuk masing-masing: (i) di mana pengintegralan parsial mengusung seluruh Bagian II; (ii) di mana kekonvergenan terdominasi masuk ke Bagian IV dan V; (iii) masukan asimtotik mana yang diimpor dari bab perbandingan; (iv) apa yang kini terbukti dari rumus Euler B(x,y)=Γ(x)Γ(y)/Γ(x+y)B(x,y) = \Gamma(x)\Gamma(y)/\Gamma(x+y), dan apa yang tersisa untuk diselesaikan integral gandanya.
Solusi

Solusi Soal 9.1.

1. Di 0+0^+ integrannya ∼tx−1\sim t^{x-1}: skala ujung hingganya konvergen bila dan hanya bila 1−x<11 - x < 1, yakni x>0x > 0 (dan untuk x≤0x \leq 0, tx−1≥t−1t^{x-1} \geq t^{-1} divergen); sedangkan di +∞+\infty, tx−1e−t=o(t−2)t^{x-1}\eu^{-t} = o(t^{-2}) konvergen untuk setiap xx. Lalu Γ(x)=Γ(x+1)x\Gamma(x) = \frac{\Gamma(x+1)}{x} dan Γ(x+1)→Γ(1)=1\Gamma(x+1) \to \Gamma(1) = 1 ketika x→0+x \to 0^+ (lewat kekontinuan, Teorema 9.18): jadi Γ(x)∼1x\Gamma(x) \sim \frac1x.

2. Dengan t=u2t = u^2 dan  ⁣dt=2u  ⁣du\dd t = 2u\,\dd u:

Γ(12)=∫0∞t−1/2e−t ⁣dt=∫0∞e−u2u 2u  ⁣du=2∫0∞e−u2 ⁣du=π\Gamma\Bigl(\frac12\Bigr) = \int_0^\infty t^{-1/2}\eu^{-t}\dd t = \int_0^\infty \frac{\eu^{-u^2}}{u}\,2u\,\dd u = 2\int_0^\infty \eu^{-u^2}\dd u = \sqrt\pi

menurut Latihan 9.8. Dengan u=v/2u = v/\sqrt2:

∫Re−v2/2 ⁣dv=22∫0∞e−u2 ⁣du=2 π=2π.\int_\R \eu^{-v^2/2}\dd v = 2\sqrt2\int_0^\infty \eu^{-u^2}\dd u = \sqrt2\,\sqrt\pi = \sqrt{2\pi} .

3. Benar untuk n=0n = 0 (sebab kedua ruasnya π\sqrt\pi). Jika Γ(n+12)=(2n)!4nn!π\Gamma(n + \frac12) = \frac{(2n)!}{4^n n!}\sqrt\pi, maka persamaan fungsionalnya memberi

Γ(n+1+12)=(n+12)Γ(n+12)=2n+12⋅(2n)!4nn!π=(2n+2)!4n+1(n+1)!π,\Gamma\Bigl(n + 1 + \frac12\Bigr) = \Bigl(n + \frac12\Bigr)\Gamma\Bigl(n + \frac12\Bigr) = \frac{2n+1}{2}\cdot\frac{(2n)!}{4^n n!}\sqrt\pi = \frac{(2n+2)!}{4^{n+1}(n+1)!}\sqrt\pi ,

dengan langkah terakhirnya berlaku karena (2n+2)!(2n)!=(2n+2)(2n+1)\frac{(2n+2)!}{(2n)!} = (2n+2)(2n+1) dan 2n+12=(2n+2)(2n+1)4(n+1)\frac{2n+1}{2} = \frac{(2n+2)(2n+1)}{4(n+1)}.

4. Teorema 9.18 memberi Γ′′(x)=∫0∞tx−1e−t(ln⁡t)2 ⁣dt\Gamma''(x) = \int_0^\infty t^{x-1}\eu^{-t}(\ln t)^2\dd t (lewat dua kali penerapan aturan Leibniz, dengan dominasi seperti pada bukti teoremanya); integrannya ≥0\geq 0 dan tidak nol secara identik, jadi Γ′′>0\Gamma'' > 0: sehingga Γ\Gamma cembung tegas dan Γ′\Gamma' naik tegas. Karena Γ(1)=Γ(2)=1\Gamma(1) = \Gamma(2) = 1, Rolle menyediakan x0∈(1, 2)x_0 \in \intoo12 dengan Γ′(x0)=0\Gamma'(x_0) = 0; lalu kemonotonan tegas Γ′\Gamma' menjadikan x0x_0 satu-satunya nolnya, dengan Γ′<0\Gamma' < 0 sebelumnya dan Γ′>0\Gamma' > 0 sesudahnya: jadi Γ\Gamma turun pada (0, x0)\intoo0{x_0}, naik pada (x0, ∞)\intoo{x_0}\infty, dan x0x_0 menjadi minimum tunggalnya.

5. Misalkan k∈Nk \in \N dan x≥3x \geq 3; pilihlah bilangan bulat nn dengan n+1≤x<n+2n + 1 \leq x < n + 2 (sehingga n≥1n \geq 1). Menurut kemonotonan pertanyaan 4 (yang sahih mulai x0<2x_0 < 2): Γ(x)≥Γ(n+1)=n!\Gamma(x) \geq \Gamma(n + 1) = n!, sedangkan xk≤(n+2)kx^k \leq (n+2)^k. Karena n!(n+2)k→∞\frac{n!}{(n+2)^k} \to \infty (sebab faktorial mengalahkan pangkat, jilid Tahun ke-1), berlaku Γ(x)xk≥n!(n+2)k→∞\frac{\Gamma(x)}{x^k} \geq \frac{n!}{(n+2)^k} \to \infty ketika x→∞x \to \infty: jadi xk=o(Γ(x))x^k = o(\Gamma(x)).

6. Di dekat 00 integrannya ∼tx−1\sim t^{x-1} (yang konvergen bila dan hanya bila x>0x > 0), di dekat 11 ia ∼(1−t)y−1\sim (1-t)^{y-1} (bila dan hanya bila y>0y > 0); kedua perbandingannya antara fungsi positif, jadi B(x,y)B(x,y) konvergen persis untuk x,y>0x, y > 0. Penyulihan t↦1−tt \mapsto 1 - t menukar kedua faktornya: jadi B(x,y)=B(y,x)B(x,y) = B(y,x).

7. Di sini B(x,1)=∫01tx−1 ⁣dt=1xB(x,1) = \int_0^1 t^{x-1}\dd t = \frac1x. Pengintegralan parsial pada [ε, 1−ε]\intcc\varepsilon{1-\varepsilon} dengan u=(1−t)yu = (1-t)^y dan v=txxv = \frac{t^x}{x} memberi

∫tx−1(1−t)y ⁣dt=[tx(1−t)yx]+yx∫tx(1−t)y−1 ⁣dt;\int t^{x-1}(1-t)^{y}\dd t = \Bigl[\frac{t^x(1-t)^y}{x}\Bigr] + \frac{y}{x}\int t^{x}(1-t)^{y-1}\dd t ;

dengan kurungnya nol di kedua ujungnya ketika ε→0\varepsilon \to 0 (sebab x>0x > 0 di 00 dan y>0y > 0 di 11), sehingga tersisa B(x,y+1)=yx B(x+1,y)B(x, y+1) = \frac yx\,B(x+1, y).

8. Karena t+(1−t)=1t + (1-t) = 1:

tx−1(1−t)y−1=tx(1−t)y−1+tx−1(1−t)y,t^{x-1}(1-t)^{y-1} = t^{x}(1-t)^{y-1} + t^{x-1}(1-t)^{y},

jadi B(x,y)=B(x+1,y)+B(x,y+1)B(x,y) = B(x+1,y) + B(x,y+1). Pertanyaan 7 berbunyi B(x+1,y)=xyB(x,y+1)B(x+1,y) = \frac xy B(x,y+1); setelah disulihkan,

B(x,y)=(xy+1)B(x,y+1)=x+yy B(x,y+1),B(x,y) = \Bigl(\frac xy + 1\Bigr)B(x,y+1) = \frac{x+y}{y}\,B(x,y+1),

yakni B(x,y+1)=yx+yB(x,y)B(x,y+1) = \frac{y}{x+y}B(x,y); sedangkan relasi kembarannya menyusul dari kesetangkupan pertanyaan 6.

9. Induksi pada nn dengan mm tetap: B(m,1)=1m=(m−1)! 0!m!B(m,1) = \frac1m = \frac{(m-1)!\,0!}{m!}, dan jika rumusnya berlaku di nn, maka

B(m,n+1)=nm+n B(m,n)=nm+n⋅(m−1)!(n−1)!(m+n−1)!=(m−1)! n!(m+n)!.B(m, n+1) = \frac{n}{m+n}\,B(m,n) = \frac{n}{m+n}\cdot\frac{(m-1)!(n-1)!}{(m+n-1)!} = \frac{(m-1)!\,n!}{(m+n)!} .

Setelah ditulis ulang: B(m,n)=(m−1)!(n−1)!(m+n−1)!=[(m+n−1)(m+n−2m−1)]−1B(m,n) = \frac{(m-1)!(n-1)!}{(m+n-1)!} = \bigl[(m+n-1)\binom{m+n-2}{m-1}\bigr]^{-1}.

10. Kedua ruas B(x,n)=Γ(x)Γ(n)Γ(x+n)B(x,n) = \frac{\Gamma(x)\Gamma(n)}{\Gamma(x+n)} sama dengan 1x\frac1x di n=1n = 1 (sebab Γ(1)=1\Gamma(1) = 1 dan Γ(x+1)=xΓ(x)\Gamma(x+1) = x\Gamma(x)). Jika keduanya sepakat di nn, maka lewat relasi penurunannya dan persamaan fungsionalnya:

B(x,n+1)=nx+n B(x,n),Γ(x)Γ(n+1)Γ(x+n+1)=nx+n⋅Γ(x)Γ(n)Γ(x+n):B(x, n+1) = \frac{n}{x+n}\,B(x,n), \qquad \frac{\Gamma(x)\Gamma(n+1)}{\Gamma(x+n+1)} = \frac{n}{x+n}\cdot \frac{\Gamma(x)\Gamma(n)}{\Gamma(x+n)} :

kedua barisannya menuruti rekursi yang sama dari benih yang sama, sehingga keduanya sepakat untuk setiap n∈N∗n \in \N^* dan setiap x>0x > 0.

11. Dengan t=sin⁡2θt = \sin^2\theta (θ∈(0, π/2)\theta \in \intoo0{\pi/2},  ⁣dt=2sin⁡θcos⁡θ  ⁣dθ\dd t = 2\sin\theta\cos\theta\,\dd\theta), berlaku tx−1=sin⁡2x−2θt^{x-1} = \sin^{2x-2}\theta dan (1−t)y−1=cos⁡2y−2θ(1-t)^{y-1} = \cos^{2y-2}\theta, sehingga

B(x,y)=∫0π/2sin⁡2x−2θ cos⁡2y−2θ⋅2sin⁡θcos⁡θ  ⁣dθ=2∫0π/2sin⁡2x−1θ cos⁡2y−1θ  ⁣dθ.B(x,y) = \int_0^{\pi/2}\sin^{2x-2}\theta\,\cos^{2y-2}\theta \cdot 2\sin\theta\cos\theta\,\dd\theta = 2\int_0^{\pi/2}\sin^{2x-1}\theta\,\cos^{2y-1}\theta\, \dd\theta .

12. Ambil y=12y = \frac12 (yang mematikan faktor kosinusnya) dan 2x−1=n2x - 1 = n: maka B(n+12,12)=2WnB\bigl(\frac{n+1}2, \frac12\bigr) = 2W_n, yakni Wn=12B(n+12,12)W_n = \frac12 B\bigl(\frac{n+1}2,\frac12\bigr). Relasi penurunan pada peubah pertamanya memberi

WnWn−2=B(n−12+1,12)B(n−12,12)=n−12n−12+12=n−1n:\frac{W_n}{W_{n-2}} = \frac{B\bigl(\frac{n-1}2 + 1, \frac12\bigr)} {B\bigl(\frac{n-1}2, \frac12\bigr)} = \frac{\frac{n-1}2}{\frac{n-1}2 + \frac12} = \frac{n-1}{n} :

yakni rekurensi Wallis, kali ini tanpa pengintegralan parsial atas sinusnya — sebab Bagian II sudah mengerjakannya sekali untuk selamanya.

13. Di sini B(12,12)=2W0=2⋅π2=πB\bigl(\frac12,\frac12\bigr) = 2W_0 = 2\cdot\frac\pi2 = \pi, sedangkan Γ(12)2/Γ(1)=(π)2=π\Gamma\bigl(\frac12\bigr)^2/\Gamma(1) = (\sqrt\pi)^2 = \pi: jadi rumus Euler berlaku di (12,12)\bigl(\frac12,\frac12\bigr).

14. Mengiterasikan W2n=2n−12nW2n−2W_{2n} = \frac{2n-1}{2n}W_{2n-2} dari W0=π2W_0 = \frac\pi2 memberi

W2n=π2∏k=1n2k−12k=π2⋅(2n)!4n(n!)2,W_{2n} = \frac\pi2\prod_{k=1}^{n}\frac{2k-1}{2k} = \frac\pi2\cdot\frac{(2n)!}{4^n(n!)^2},

sebab ∏(2k−1)=(2n)!2nn!\prod(2k-1) = \frac{(2n)!}{2^n n!} dan ∏2k=2nn!\prod 2k = 2^n n!. Karenanya, dengan memakai pertanyaan 3:

B(n+12,12)=2W2n=π (2n)!4n(n!)2=(2n)!π4nn!⋅πn!=Γ(n+12)Γ(12)Γ(n+1).B\Bigl(n+\frac12, \frac12\Bigr) = 2W_{2n} = \pi\,\frac{(2n)!}{4^n(n!)^2} = \frac{(2n)!\sqrt\pi}{4^n n!}\cdot\frac{\sqrt\pi}{n!} = \frac{\Gamma\bigl(n+\frac12\bigr)\Gamma\bigl(\frac12\bigr)} {\Gamma(n+1)} .

Kini tetapkan x∈12N∗x \in \frac12\N^*. Rumus Euler berlaku di (x,12)(x, \frac12): untuk xx bulat inilah pertanyaan 10 (dengan kesetangkupannya), sedangkan untuk x=n+12x = n + \frac12 inilah ungkapan di atas. Kedua ruas rumus Euler menuruti rekursi penurunan y↦y+1y \mapsto y + 1 (pertanyaan 8 di kiri, persamaan fungsionalnya di kanan, seperti pada pertanyaan 10): jadi induksi merambatkan rumusnya dari y=12y = \frac12 dan y=1y = 1 ke setiap y∈12N∗y \in \frac12\N^*. Karenanya rumus Euler berlaku setiap kali 2x,2y∈N∗2x, 2y \in \N^*.

15. Dengan u=t1−tu = \frac{t}{1-t}, yakni t=u1+ut = \frac{u}{1+u}, 1−t=11+u1 - t = \frac{1}{1+u}, dan  ⁣dt= ⁣du(1+u)2\dd t = \frac{\dd u}{(1+u)^2}:

B(x,y)=∫0∞(u1+u)x−1(11+u)y−1 ⁣du(1+u)2=∫0∞ux−1(1+u)x+y  ⁣du.B(x,y) = \int_0^\infty \Bigl(\frac{u}{1+u}\Bigr)^{x-1} \Bigl(\frac{1}{1+u}\Bigr)^{y-1} \frac{\dd u}{(1+u)^2} = \int_0^\infty \frac{u^{x-1}}{(1+u)^{x+y}}\,\dd u .

Di x=y=12x = y = \frac12, dengan u=v2u = v^2:

∫0∞u−1/21+u ⁣du=∫0∞2  ⁣dv1+v2=π=B(12,12).✓\int_0^\infty \frac{u^{-1/2}}{1+u}\dd u = \int_0^\infty \frac{2\,\dd v}{1+v^2} = \pi = B\Bigl(\frac12,\frac12\Bigr) . \checkmark

16. Satu kali pengintegralan parsial, untuk 1≤k≤n1 \leq k \leq n dan s>0s > 0 (dengan u=(1−t/n)ku = (1 - t/n)^k, v=ts/sv = t^s/s; dan suku batasnya lenyap), memberi

∫0n(1−tn) ⁣kts−1 ⁣dt=kns∫0n(1−tn) ⁣k−1ts ⁣dt.\int_0^n \Bigl(1-\frac tn\Bigr)^{\!k} t^{s-1}\dd t = \frac{k}{ns}\int_0^n \Bigl(1-\frac tn\Bigr)^{\!k-1} t^{s}\dd t .

Berawal dari k=nk = n, s=xs = x lalu mengiterasikannya nn kali:

∫0n(1−tn) ⁣ntx−1 ⁣dt=n(n−1)⋯1nn x(x+1)⋯(x+n−1)∫0ntx+n−1 ⁣dt=n!nn⋅nx+nx(x+1)⋯(x+n),\int_0^n \Bigl(1-\frac tn\Bigr)^{\!n} t^{x-1}\dd t = \frac{n(n-1)\cdots1}{n^n\,x(x+1)\cdots(x+n-1)} \int_0^n t^{x+n-1}\dd t = \frac{n!}{n^n}\cdot \frac{n^{x+n}}{x(x+1)\cdots(x+n)} ,

yakni n! nxx(x+1)⋯(x+n)\dfrac{n!\,n^x}{x(x+1)\cdots(x+n)}.

17. Menurut Latihan 9.7, ruas kirinya menuju Γ(x)\Gamma(x) (lewat kekonvergenan terdominasi dengan pendominasi tx−1e−tt^{x-1}\eu^{-t}); sedangkan ruas kanannya adalah kuosien Gauss:

Γ(x)=lim⁡n→∞n! nxx(x+1)⋯(x+n).\Gamma(x) = \lim_{n\to\infty} \frac{n!\,n^x}{x(x+1)\cdots(x+n)} .

18. Setelah logaritma kuosien Gn(x)G_n(x) pada pertanyaan 16 diambil lalu ln⁡(x+k)=ln⁡k+ln⁡(1+x/k)\ln(x+k) = \ln k + \ln(1 + x/k) dipecah untuk k≥1k \geq 1:

ln⁡Gn(x)=xln⁡n−ln⁡x−∑k=1nln⁡(1+xk)=−ln⁡x+x(ln⁡n−Hn)+∑k=1n(xk−ln⁡(1+xk)).\ln G_n(x) = x\ln n - \ln x - \sum_{k=1}^n \ln\Bigl(1+\frac xk\Bigr) = -\ln x + x(\ln n - H_n) + \sum_{k=1}^n\Bigl(\frac xk - \ln\Bigl(1+\frac xk\Bigr)\Bigr).

Untuk u≥0u \geq 0 berlaku u−u22≤ln⁡(1+u)≤uu - \frac{u^2}2 \leq \ln(1+u) \leq u, jadi suku umumnya berada di [0, x2/(2k2)]\intcc{0}{x^2/(2k^2)}: sehingga deretnya konvergen (lewat pembandingan dengan ∑k−2\sum k^{-2}). Karena ln⁡n−Hn→−γ\ln n - H_n \to -\gamma (Contoh 6.7) dan ln⁡Gn(x)→ln⁡Γ(x)\ln G_n(x) \to \ln\Gamma(x) (pertanyaan 17 dan kekontinuan ln⁡\ln):

ln⁡Γ(x)=−ln⁡x−γx+∑k=1∞(xk−ln⁡(1+xk)).\ln\Gamma(x) = -\ln x - \gamma x + \sum_{k=1}^\infty\Bigl(\frac xk - \ln\Bigl(1+\frac xk\Bigr)\Bigr) .

19. Di x=12x = \frac12, penyebutnya adalah ∏k=0n(k+12)=(2n+1)!22n+1n!\prod_{k=0}^n\bigl(k+\frac12\bigr) = \frac{(2n+1)!}{2^{2n+1}n!} (kalikan saja setengahnya), sehingga

Gn(12)=n! n  22n+1n!(2n+1)!=2n  4n(2n+1)(2nn).G_n\Bigl(\frac12\Bigr) = \frac{n!\,\sqrt n\;2^{2n+1}n!}{(2n+1)!} = \frac{2\sqrt n\;4^n}{(2n+1)\binom{2n}{n}} .

Dengan (2nn)∼4nπn\binom{2n}{n} \sim \frac{4^n}{\sqrt{\pi n}} (Contoh 6.14):

Gn(12)∼2n πn2n+1⟶π=Γ(12).G_n\Bigl(\frac12\Bigr) \sim \frac{2\sqrt n\,\sqrt{\pi n}}{2n+1} \longrightarrow \sqrt\pi = \Gamma\Bigl(\frac12\Bigr) .

Jadi π\sqrt\pi milik koefisien binomial pusat (yang berasal dari Wallis, sehingga dari konstanta Stirling) dan π\sqrt\pi milik integral Gauss adalah bilangan yang sama.

20. Kesamaannya murni aljabar: kalikan n! nxx(x+1)⋯(x+n)\frac{n!\,n^x}{x(x+1)\cdots(x+n)} dengan nxx+n+1\frac{nx}{x+n+1} lalu serap xx ke dalam hasil kalinya dan nn ke dalam nxn^x. Dengan melewatkan n→∞n \to \infty: ruas kirinya menuju Γ(x+1)\Gamma(x+1) (yakni Gauss di x+1x+1), sedangkan ruas kanannya menuju Γ(x)⋅x⋅1\Gamma(x)\cdot x\cdot 1 karena nx+n+1→1\frac{n}{x+n+1} \to 1: jadi Γ(x+1)=xΓ(x)\Gamma(x+1) = x\Gamma(x) — dipulihkan tanpa satu pun pengintegralan parsial.

21. Dengan u=tau = t^a, t=u1/at = u^{1/a}, dan  ⁣dt=1au1/a−1 ⁣du\dd t = \frac1a u^{1/a - 1}\dd u:

∫0∞e−ta ⁣dt=1a∫0∞u1a−1e−u ⁣du=1a Γ(1a)=Γ(1+1a).\int_0^\infty \eu^{-t^a}\dd t = \frac1a\int_0^\infty u^{\frac1a - 1}\eu^{-u}\dd u = \frac1a\,\Gamma\Bigl(\frac1a\Bigr) = \Gamma\Bigl(1 + \frac1a\Bigr) .

Ketika a→+∞a \to +\infty (sepanjang barisan mana pun): e−ta→1\eu^{-t^a} \to 1 untuk 0<t<10 < t < 1, →e−1\to \eu^{-1} di t=1t = 1, dan →0\to 0 untuk t>1t > 1; sedangkan untuk a≥2a \geq 2 dominasilah oleh 1t≤1+e−t21t>1\mathbf 1_{t \leq 1} + \eu^{-t^2}\mathbf 1_{t > 1} (sebab ta≥t2t^a \geq t^2 untuk t≥1t \geq 1), yang terintegralkan. Kekonvergenan terdominasi: jadi integralnya menuju ∫011  ⁣dt=1\int_0^1 1\,\dd t = 1 — sebagaimana mestinya, sebab Γ(1+1a)→Γ(1)=1\Gamma(1 + \frac1a) \to \Gamma(1) = 1 berkat kekontinuannya.

22. Dengan u=tnu = t^n dan  ⁣dt=1nu1/n−1 ⁣du\dd t = \frac1n u^{1/n - 1}\dd u:

∫01 ⁣dt1−tn=1n∫01u1n−1(1−u)−1/2 ⁣du=1n B(1n,12).\int_0^1 \frac{\dd t}{\sqrt{1-t^n}} = \frac1n\int_0^1 u^{\frac1n-1}(1-u)^{-1/2}\dd u = \frac1n\,B\Bigl(\frac1n, \frac12\Bigr) .

Untuk n=1n = 1: B(1,12)=B(12,1)=2B\bigl(1,\frac12\bigr) = B\bigl(\frac12,1\bigr) = 2, yang cocok dengan ∫01 ⁣dt1−t=2\int_0^1\frac{\dd t}{\sqrt{1-t}} = 2. Untuk n=2n = 2: 12B(12,12)=π2=arcsin⁡1\frac12 B\bigl(\frac12,\frac12\bigr) = \frac\pi2 = \arcsin 1. Sedangkan untuk n=4n = 4, nilai 14B(14,12)\frac14 B\bigl(\frac14,\frac12\bigr) adalah konstanta lemniskat: tanpa bentuk tertutup yang elementer.

23. Dengan mengiterasikan persamaan fungsionalnya:

1Γ(x)∫0∞tx+k−1e−t ⁣dt=Γ(x+k)Γ(x)=(x+k−1)(x+k−2)⋯x,\frac{1}{\Gamma(x)}\int_0^\infty t^{x+k-1}\eu^{-t}\dd t = \frac{\Gamma(x+k)}{\Gamma(x)} = (x+k-1)(x+k-2)\cdots x ,

yakni faktorial naik dengan kk faktor. Di x=1x = 1: Γ(1+k)/Γ(1)=k!\Gamma(1+k)/\Gamma(1) = k!, yakni momen e−t\eu^{-t} pada Latihan 9.2.

24. Sulihkan t=1+s2t = \frac{1+s}2 (sehingga s∈(−1, 1)s \in \intoo{-1}1,  ⁣dt= ⁣ds2\dd t = \frac{\dd s}2, dan t(1−t)=1−s24t(1-t) = \frac{1-s^2}4):

B(x,x)=∫−11(1−s24)x−1 ⁣ds2=41−x∫01(1−s2)x−1 ⁣dsB(x,x) = \int_{-1}^{1}\Bigl(\frac{1-s^2}{4}\Bigr)^{x-1} \frac{\dd s}{2} = 4^{1-x}\int_0^1 (1-s^2)^{x-1}\dd s

(sebab integrannya genap). Lalu s=vs = \sqrt v (sehingga  ⁣ds= ⁣dv2v\dd s = \frac{\dd v}{2\sqrt v}):

B(x,x)=41−x2∫01v−1/2(1−v)x−1 ⁣dv=21−2x B(12,x).B(x,x) = \frac{4^{1-x}}{2}\int_0^1 v^{-1/2}(1-v)^{x-1}\dd v = 2^{1-2x}\,B\Bigl(\frac12, x\Bigr) .

Untuk 2x∈N∗2x \in \N^* setiap argumen yang tampak berada di 12N∗\frac12\N^*, jadi rumus Euler (pertanyaan 14) berlaku bagi kedua ruasnya:

Γ(x)2Γ(2x)=21−2x Γ(12)Γ(x)Γ(x+12)⟺Γ(x) Γ(x+12)=21−2xπ  Γ(2x).\frac{\Gamma(x)^2}{\Gamma(2x)} = 2^{1-2x}\, \frac{\Gamma\bigl(\frac12\bigr)\Gamma(x)} {\Gamma\bigl(x+\frac12\bigr)} \quad\Longleftrightarrow\quad \Gamma(x)\,\Gamma\Bigl(x+\frac12\Bigr) = 2^{1-2x}\sqrt\pi\;\Gamma(2x) .

Pemeriksaan langsung di x=nx = n: ruas kirinya (n−1)!⋅(2n)!π4nn!=(2n)!π4nn(n-1)!\cdot \frac{(2n)!\sqrt\pi}{4^n n!} = \frac{(2n)!\sqrt\pi}{4^n n}, sedangkan ruas kanannya 2⋅4−nπ (2n−1)!=(2n)!π4nn2\cdot4^{-n}\sqrt\pi\,(2n-1)! = \frac{(2n)!\sqrt\pi}{4^n n}: jadi sama.

25. (i) Pengintegralan parsial menghasilkan B(x,y+1)=yxB(x+1,y)B(x,y+1) = \frac yx B(x+1,y), yakni satu-satunya kesamaan yang darinya mengalir setiap relasi penurunan, nilai bulat dan setengah bulatnya, serta rekurensi Wallis. (ii) Kekonvergenan terdominasi mengubah integral elementer ∫0n(1−t/n)ntx−1\int_0^n(1-t/n)^n t^{x-1} menjadi Γ(x)\Gamma(x) (yakni rumus Gauss, pertanyaan 17) lalu menghitung limit a→∞a \to \infty pada pertanyaan 21. (iii) Dari bab perbandingan kita mengimpor konstanta Euler (yakni ln⁡n−Hn→−γ\ln n - H_n \to -\gamma, pertanyaan 18) dan asimtotik koefisien binomial pusat (pertanyaan 19) — yaitu rumus Stirling yang menyamar. (iv) Rumus Euler B(x,y)=Γ(x)Γ(y)/Γ(x+y)B(x,y) = \Gamma(x)\Gamma(y)/\Gamma(x+y) kini terbukti untuk y∈N∗y \in \N^* dengan x>0x > 0 sembarang (pertanyaan 10) dan untuk semua pasangan setengah bulat (pertanyaan 14); sedangkan kasus umum x,y>0x, y > 0 menunggu perhitungan integral ganda pada bab integral lipat, yang memfaktorkan Γ(x)Γ(y)\Gamma(x)\Gamma(y) atas seperempat bidang.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium