Mathematics · الكتاب 5 · Bachelor Year 3

الرياضيات الجامعية — السنة 3

الرياضيات الجامعية — السنة 3 · Bachelor Year 3

11القياسات الجدائية، فوبيني، تغيير المتغيّرات

تصير نظرية لوبيغ ذات البُعد الواحد حسابًا متعدّد الأبعاد بواسطة مبرهنتين. فتقول تونيلي–فوبيني إن التكاملات على الجداءات تكاملاتٌ متتالية — أي إن التشريح مشروع، بأي ترتيب، تحت فرضيات يمكن التحقق منها فعلًا. وتنقل صيغة تغيير المتغيّرات التكاملات على امتداد التماثلات التفاضلية من الصنف C1\mathcal C^1، ويكون محدد ياكوبي هو سعر صرف الحجم؛ ونبرهن عليها كاملةً، انطلاقًا من الحالة الخطية حيث تفسّر ما هو المحدد. وتتوالى التطبيقات: صيغة كعكة الطبقات، والالتفاف، والإحداثيات القطبية، وحجم الكرة في البُعد nn — وفي مسألة نهاية الأسبوع، صيغة ستيرلنغ بتحليل أمين للخطأ.

11.1 الجبور الجدائية من النمط σ\sigma والقياسات الجدائية

تعريف 11.1

من أجل فضاءين قابلين للقياس (X,A)(X, \mathcal A) و (Y,B)(Y, \mathcal B)، يتولّد الجبر الجدائي من النمط σ\sigma AB\mathcal A \otimes \mathcal B على X×YX \times Y بواسطة المستطيلات A×BA \times B (حيث AAA \in \mathcal A و BBB \in \mathcal B) — وهي نظام من النمط π\pi. ومن أجل EX×YE \subseteq X\times Y و xXx \in X، تكون الشريحة Ex={y:(x,y)E}E_x = \{y : (x,y) \in E\}؛ ومن أجل دالة ff على الجداء، fx=f(x,)f_x = f(x, \cdot).

قضية 11.2

(a) إذا كان EABE \in \mathcal A\otimes\mathcal B، فإن كل شريحة ExBE_x \in \mathcal B (وبالتناظر)؛ وإذا كانت ff قابلة للقياس بالمعنى AB\mathcal A\otimes\mathcal B، فإن كل fxf_x قابلة للقياس بالمعنى B\mathcal B. (b) B(Rm)B(Rn)=B(Rm+n)\mathcal B(\R^m)\otimes\mathcal B(\R^n) = \mathcal B(\R^{m+n}).

برهان. (a) المجموعات الجيدة: إن {E:ExB x}\{E : E_x \in \mathcal B\ \forall x\} جبر من النمط σ\sigma (لأن الشرائح تتبادل مع المتممات والاتحادات القابلة للعدّ) يحتوي على المستطيلات. وأما من أجل ff: فإن (fx)1(B)=(f1(B))x(f_x)^{-1}(B) = (f^{-1}(B))_x. (b) (\subseteq) مستطيلات المجموعات البوريلية: يكفي أن تكون الصناديق مفتوحة×\timesمفتوحة بوريليةً في Rm+n\R^{m+n} (وهي مفتوحة) وأن تكون المستطيلات البوريلية العامة نهاياتٍ — وبمبدأ المجموعات الجيدة مرة أخرى: فإن {A:A×RnB(Rm+n)}\{A : A\times\R^n \in \mathcal B(\R^{m+n})\} جبر من النمط σ\sigma يحتوي على المفتوحات؛ ثم نقاطع اثنين كهذين. (\supseteq) وكل مجموعة مفتوحة من Rm+n\R^{m+n} اتحادٌ قابل للعدّ لصناديق مفتوحة ناطقة U×VU\times V: ومنه فهي محتواة في الجبر الجدائي من النمط σ\sigma.

مبرهنة 11.3 (القياس الجدائي)

ليكن (X,A,μ)(X, \mathcal A, \mu) و (Y,B,ν)(Y, \mathcal B, \nu) منتهيين من النمط σ\sigma. من أجل كل EABE \in \mathcal A\otimes\mathcal B، تكون الدالة xν(Ex)x \mapsto \nu(E_x) قابلة للقياس، ويعرّف

(μν)(E)=Xν(Ex) ⁣dμ(x)(\mu\otimes\nu)(E) = \int_X \nu(E_x)\,\dd\mu(x)

القياسَ الوحيد على AB\mathcal A\otimes\mathcal B الذي يحقق (μν)(A×B)=μ(A)ν(B)(\mu\otimes\nu)(A\times B) = \mu(A)\nu(B). وهو منتهٍ من النمط σ\sigma، ومتناظر: إذ يُحصَل على القياس نفسه بمكاملة شرائح xx بالنسبة إلى ν\nu.

برهان. قابلية xν(Ex)x \mapsto \nu(E_x) للقياس. ليكن ν\nu منتهيًا أولًا. الصنف D\mathcal D المؤلَّف من المجموعات EE التي يكون التطبيق من أجلها قابلًا للقياس يحتوي على المستطيلات (ν((A×B)x)=ν(B)1A(x)\nu((A\times B)_x) = \nu(B)\mathbf 1_A(x)) وهو نظام من النمط λ\lambda: فمن أجل EFE \subseteq F في D\mathcal D، ν((FE)x)=ν(Fx)ν(Ex)\nu((F\setminus E)_x) = \nu(F_x) - \nu(E_x) (بالانتهاء)؛ ومن أجل EnEE_n \uparrow E، ν((En)x)ν(Ex)\nu((E_n)_x) \uparrow \nu(E_x) (بالاتصال من الأسفل)، والنهايات الرتيبة للدوال القابلة للقياس قابلةٌ للقياس. وتشكّل المستطيلات نظامًا من النمط π\pi: فتعطي مبرهنة دينكين (المبرهنة 9.4) أن D=AB\mathcal D = \mathcal A\otimes\mathcal B. وإذا كان ν\nu منتهيًا من النمط σ\sigma، كتبنا Y=YkY = \bigcup Y_k مع YkY_k \uparrow و ν(Yk)<\nu(Y_k) < \infty: فنجد ν(Ex)=limkνk(Ex)\nu(E_x) = \lim_k\nu_k(E_x) حيث νk=ν(Yk)\nu_k = \nu(\cdot\cap Y_k) منتهٍ.

القياس. تنتج الجمعية من النمط σ\sigma للمقدار Eν(Ex) ⁣dμE \mapsto \int\nu(E_x)\dd\mu من النتيجة 10.7 (لأن شرائح المجموعات المنفصلة منفصلة). وعلى المستطيلات تعطي μ(A)ν(B)\mu(A)\nu(B). الوحدانية: يتوافق مرشّحان على النظام من النمط π\pi المؤلَّف من المستطيلات؛ ويعطي الانتهاء من النمط σ\sigma مستطيلات Xk×YkX×YX_k\times Y_k \uparrow X\times Y ذات قياس منتهٍ: المبرهنة 9.7. وأما التناظر: فالبناء بالترتيب الآخر قياسٌ أيضًا يتوافق على المستطيلات — وهو وحيد، ومنه فهو القياس نفسه.

تعريف 11.4

قياس لوبيغ على Rd\R^d هو λd=λλ\lambda_d = \lambda\otimes\cdots\otimes\lambda (dd عاملًا؛ ويُتحقَّق من تجميعية البناء على الصناديق وتنتشر بالوحدانية). وهو القياس البوريلي الوحيد الذي يعطي كل صندوق (ai,bi]\prod\intoc{a_i}{b_i} حجمَه (biai)\prod(b_i - a_i)؛ وهو صامد بالانسحاب (لأن المنسحبات تتوافق على الصناديق)، ومنتهٍ من النمط σ\sigma، وتام بعد إتمام كاراتيودوري — ونكتب λd\lambda_d للقياس المتمَّم ونكامل تبعًا لذلك.

11.2 تونيلي وفوبيني

مبرهنة 11.5 (تونيلي)

ليكن μ,ν\mu, \nu منتهيين من النمط σ\sigma، ولتكن f ⁣:X×Y[0,+]f \colon X\times Y \to [0, +\infty] قابلة للقياس. عندئذٍ تكون xYfx ⁣dνx \mapsto \int_Y f_x\,\dd\nu قابلة للقياس و

X×Yf ⁣d(μν)=X(Yf(x,y) ⁣dν(y)) ⁣dμ(x)=Y(Xf(x,y) ⁣dμ(x)) ⁣dν(y).\int_{X\times Y}f\,\dd(\mu\otimes\nu) = \int_X\Bigl(\int_Y f(x,y)\,\dd\nu(y)\Bigr)\dd\mu(x) = \int_Y\Bigl(\int_X f(x,y)\,\dd\mu(x)\Bigr)\dd\nu(y).

برهان. الآلة المعيارية. فمن أجل f=1Ef = \mathbf 1_E هذه هي المبرهنة 11.3 (وصيغتها المتناظرة). وبالخطية تصح من أجل f0f \geq 0 بسيطة. ومن أجل f0f \geq 0 عامة: نأخذ دوالًّا بسيطة snfs_n \nearrow f (المبرهنة 10.4)؛ عندئذٍ Y(sn)x ⁣dνYfx ⁣dν\int_Y(s_n)_x \dd\nu \nearrow \int_Y f_x\dd\nu من أجل كل xx (بمبرهنة التقارب الرتيب في YY)، ومنه تتقارب الأطراف اليسرى بمبرهنة التقارب الرتيب في XX، بينما sn ⁣d(μν)f\int s_n\,\dd(\mu\otimes\nu) \nearrow \int f بمبرهنة التقارب الرتيب على الجداء.

مبرهنة 11.6 (فوبيني)

ليكن μ,ν\mu, \nu منتهيين من النمط σ\sigma، ولتكن fL1(μν)f \in L^1(\mu\otimes\nu). عندئذٍ تكون الشريحة fxf_x قابلة للمكاملة بالنسبة إلى ν\nu من أجل xx في كل مكان تقريبًا بالمعنى μ\mu، وتكون الدالة المعرَّفة في كل مكان تقريبًا xfx ⁣dνx \mapsto \int f_x\dd\nu قابلة للمكاملة، ويساوي التكاملان المتتاليان كلاهما f ⁣d(μν)\int f\,\dd(\mu\otimes\nu).

برهان. يبيّن تطبيق تونيلي على f\abs f أن φ(x)=fx ⁣dν\varphi(x) = \int\abs{f_x} \dd\nu ذات تكامل منتهٍ، ومنه فهي منتهية في كل مكان تقريبًا: أي fxL1(ν)f_x \in L^1(\nu) من أجل xx في كل مكان تقريبًا. ونشطر f=f+ff = f^+ - f^- (في الحالة الحقيقية؛ وبالمركّبات في العقدية): فتحسب تونيلي كل تكامل متتالٍ للمقدارين f±f^\pm بوصفه f± ⁣d(μν)<\int f^\pm\dd(\mu\otimes\nu) < \infty، ويتكامل الفرق المعرَّف في كل مكان تقريبًا ليعطي الفرق. وبالتناظر من أجل الترتيب الآخر.

طريقة 11.7

لتبديل تكاملين (أو تكامل ومجموع، أو مجموعين): إذا كان المقدار المكامَل غير سالب، بدّل بحرية (تونيلي). وإلا فطبّق أولًا تونيلي على f\abs f بالترتيب الأسهل تقديرًا؛ فإذا كانت النتيجة منتهية، شرّعت فوبيني التبديلَ. ولا تتجاوز أبدًا فحص f\abs f: فللمقدار المكامَل في التمرين 11.4 تكاملان متتاليان بقيمتين مختلفتين.

قضية 11.8 (كعكة الطبقات)

من أجل f0f \geq 0 قابلة للقياس على (X,A,μ)(X, \mathcal A, \mu) المنتهي من النمط σ\sigma:

Xf ⁣dμ=0+μ({f>t}) ⁣dt,Xfp ⁣dμ=p0+tp1μ({f>t}) ⁣dt(p1).\int_X f\,\dd\mu = \int_0^{+\infty}\mu(\{f > t\})\,\dd t, \qquad \int_X f^p\,\dd\mu = p\int_0^{+\infty}t^{p-1}\mu(\{f > t\})\,\dd t \quad (p \geq 1).

برهان. نطبّق تونيلي على 1{(x,t):0<t<f(x)}\mathbf 1_{\{(x,t) : 0 < t < f(x)\}} على X×(0,+)X \times \intoo0{+\infty} (وهي قابلة للقياس: لأنها {(x,t):f(x)t>0}{t>0}\{(x,t): f(x) - t > 0\}\cap\{t > 0\}، وهي تركيبة من نمط بوريل للدالة القابلة للقياس (x,t)f(x)t(x,t)\mapsto f(x) - t): فتعطي المكاملة في tt أولًا f ⁣dμ\int f\,\dd\mu؛ وفي xx أولًا، 0μ(f>t) ⁣dt\int_0^\infty\mu(f > t)\dd t. وأما من أجل fpf^p: فنعوّض t=spt = s^p في μ(fp>t) ⁣dt\int\mu(f^p > t) \dd t، أي نطبّق الصيغة الأولى على fpf^p ونغيّر المتغيّرات في التكامل ذي البُعد الواحد ({fp>sp}={f>s}\{f^p > s^p\} = \{f > s\}).

مبرهنة 11.9 (الالتفاف على L1L^1)

من أجل f,gL1(Rd,λd)f, g \in L^1(\R^d, \lambda_d)، يتقارب التكامل

(fg)(x)=Rdf(xy)g(y) ⁣dy(f * g)(x) = \int_{\R^d} f(x - y)\,g(y)\,\dd y

تقاربًا مطلقًا من أجل xx في كل مكان تقريبًا، ويعرّف fgL1(Rd)f * g \in L^1(\R^d) مع fg1f1g1\norm{f*g}_1 \leq \norm f_1\norm g_1، ويكون * تبديليًا وتجميعيًا.

برهان. المقدار (x,y)f(xy)g(y)(x, y) \mapsto f(x-y)g(y) قابل للقياس (لأن (x,y)xy(x,y)\mapsto x - y متصل؛ ثم نركّب ونضرب). وبتونيلي:

 ⁣ ⁣f(xy)g(y) ⁣dy ⁣dx=g(y)(f(xy) ⁣dx) ⁣dy=f1g1<\int\!\!\int \abs{f(x-y)}\abs{g(y)}\,\dd y\,\dd x = \int\abs{g(y)}\Bigl(\int\abs{f(x - y)}\dd x\Bigr)\dd y = \norm f_1\norm g_1 < \infty

(بصمود λd\lambda_d بالانسحاب في التكامل الداخلي). ومنه فإن التكامل المزدوج منتهٍ؛ وتعطي فوبيني التقاربَ المطلق في كل مكان تقريبًا وحدَّ المعيار fg1f1g1\norm{f*g}_1 \leq \norm f_1\norm g_1. وأما التبديلية: فبالتعويض yxyy \mapsto x - y (بصمود الانسحاب والانعكاس — وصمود الانعكاس يصح على الصناديق، ومنه في كل مكان بالوحدانية). وأما التجميعية: فبتونيلي–فوبيني على تكامل ثلاثي.

11.3 تغيير المتغيّرات

مبرهنة 11.10 (تغيير المتغيّرات الخطي)

من أجل TGLd(R)T \in GL_d(\R) ومن أجل AB(Rd)A \in \mathcal B(\R^d): λd(T(A))=detTλd(A)\lambda_d(T(A)) = \abs{\det T}\,\lambda_d(A)؛ ومن ثَمّ f(y) ⁣dy=detTf(Tx) ⁣dx\int f(y)\dd y = \abs{\det T}\int f(Tx)\,\dd x من أجل f0f \geq 0 أو من أجل دالة قابلة للمكاملة.

برهان. القياس μT(A)=λd(T(A))\mu_T(A) = \lambda_d(T(A)) قياسٌ بوريلي (لأن التماثلات الطوبولوجية تحفظ المجموعات البوريلية، المسألة 9.1)، وصامد بالانسحاب (T(A+x)=T(A)+TxT(A + x) = T(A) + Tx)، ومنتهٍ على الصندوق الواحدي: ومنه، بتمييز قياس لوبيغ (التمرين 9.6، الذي يصح برهانه حرفيًا في Rd\R^d بالمكعبات الثنائية)، يكون μT=c(T)λd\mu_T = c(T)\lambda_d مع c(T)=λd(T([0,1)d))c(T) = \lambda_d(T(\intco01^d)). والتطبيق Tc(T)T \mapsto c(T) ضربي (c(ST)=c(S)c(T)c(ST) = c(S)c(T)، بالتركيب)، ومنه يكفي حساب cc على مولِّدات GLdGL_d: أي المصفوفات الأوّلية. القطرية diag(a,1,,1)\operatorname{diag}(a, 1, \dots, 1): ترسل المكعب الواحدي إلى صندوق حجمه a\abs a: ومنه c=a=detc = \abs a = \abs\det. وتبديل الإحداثيات: يبدّل المكعب: ومنه c=1=detc = 1 = \abs\det. والانسحاب المستعرض T(x)=x+αx2e1T(x) = x + \alpha x_2e_1: تكون صورة المكعب الواحدي موشورًا مقصوصًا؛ وبتونيلي يكون قياسه λ1(مقطع) ⁣dx2 ⁣dxd=1\int\lambda_1(\text{مقطع})\dd x_2 \cdots \dd x_d = 1، لأن كل شريحة x1x_1 فترةٌ طولها 11: ومنه c=1=detc = 1 = \abs{\det}. وكل مصفوفة قابلة للقلب جداءٌ لهذه (بحذف غاوس)، وكلٌّ من cc و det\abs\det ضربي: ومنه c(T)=detTc(T) = \abs{\det T}. وتنتج صيغة التكامل بالآلة المعيارية (بالدوال المميّزة، ثم البسيطة، ثم بمبرهنة التقارب الرتيب).

مبرهنة 11.11 (تغيير المتغيّرات)

لتكن U,VRdU, V \subseteq \R^d مفتوحتين وليكن Φ ⁣:UV\Phi \colon U \to V تماثلًا تفاضليًا من الصنف C1\mathcal C^1. من أجل كل دالة قابلة للقياس f ⁣:V[0,+]f \colon V \to [0, +\infty] (أو fL1(V)f \in L^1(V)):

Vf(y) ⁣dy=Uf(Φ(x))detDΦ(x) ⁣dx.\int_V f(y)\,\dd y = \int_U f\bigl(\Phi(x)\bigr)\,\abs{\det D\Phi(x)}\,\dd x .

برهان. نكتب J(x)=detDΦ(x)J(x) = \abs{\det D\Phi(x)}. وقلب البرهان هو المتراجحة

λd(Φ(A))AJ ⁣dλdمن أجل كل مجموعة بوريليةAU;()\lambda_d\bigl(\Phi(A)\bigr) \leq \int_A J\,\dd\lambda_d \qquad\text{من أجل كل مجموعة بوريلية} A \subseteq U; \tag{$*$}

وترفع الخطوة 4 أدناه المتراجحةَ ()(*) — مطبَّقةً على كلٍّ من Φ\Phi و Φ1\Phi^{-1} — إلى تساوي المبرهنة. ولاحظ أن Φ1\Phi^{-1} هو نفسه تماثل تفاضلي من الصنف C1\mathcal C^1 محدد ياكوبي له detDΦ1(y)=J(Φ1y)1\abs{\det D\Phi^{-1}(y)} = J(\Phi^{-1}y)^{-1} (بقاعدة السلسلة على ΦΦ1=id\Phi\circ\Phi^{-1} = \mathrm{id}).

الخطوة 1: المتراجحة ()(*) من أجل المكعبات بعامل تشويه. لنثبّت مكعبًا مغلقًا QUQ \subseteq U مركزه x0x_0 وضلعه 2r2r (أي كرة بمعيار السوپريموم). الادعاء: من أجل كل ε>0\varepsilon > 0، إذا كان Φ\Phi قابلًا للاشتقاق على QQ مع DΦ(x)DΦ(x0)ε\norm{D\Phi(x) - D\Phi(x_0)} \leq \varepsilon على QQ (بمعيار المؤثر من أجل معيار السوپريموم)، فإن

Φ(Q)Φ(x0)+DΦ(x0)((1+εDΦ(x0)1)(Qx0)),\Phi(Q) \subseteq \Phi(x_0) + D\Phi(x_0)\Bigl(\,\bigl(1 + \varepsilon\norm{D\Phi(x_0)^{-1}}\bigr)\,(Q - x_0)\Bigr),

لأنه من أجل xQx \in Q، تعطي متراجحة القيم المتوسطة المطبَّقة على Φ(x)Φ(x0)DΦ(x0)(xx0)\Phi(x) - \Phi(x_0) - D\Phi(x_0)(x - x_0) أن Φ(x)Φ(x0)DΦ(x0)(xx0)εxx0εr\norm{\Phi(x) - \Phi(x_0) - D\Phi(x_0)(x-x_0)}_\infty \leq \varepsilon\norm{x - x_0}_\infty \leq \varepsilon r، ويسحب DΦ(x0)1D\Phi(x_0)^{-1} هذا القصورَ إلى توسيع للمكعب بمقدار εDΦ(x0)1r\varepsilon\norm{D\Phi(x_0)^{-1}}\,r. وحسب المبرهنة 11.10،

λd(Φ(Q))detDΦ(x0)(1+εC)dλd(Q),C=supQDΦ()1.\lambda_d(\Phi(Q)) \leq \abs{\det D\Phi(x_0)}\, \bigl(1 + \varepsilon\,C\bigr)^{d}\,\lambda_d(Q), \qquad C = \sup_{Q}\norm{D\Phi(\cdot)^{-1}} .

الخطوة 2: المتراجحة ()(*) من أجل المكعبات المتراصة، بالتجزئة. ليكن QUQ \subseteq U مكعبًا متراصًّا وليكن ε>0\varepsilon > 0. وعلى QQ يكون DΦD\Phi متصلًا بانتظام ويكون DΦ1\norm{D\Phi^{-1}} محدودًا (بالتراص)؛ نجزّئ QQ إلى 2kd2^{kd} مكعبًا جزئيًا QiQ_i صغيرًا بما يكفي ليكون تذبذب DΦD\Phi على كلٍّ منها ε\leq \varepsilon. وبالخطوة 1 على كل مكعب جزئي (مركزه xix_i):

λd(Φ(Q))iλd(Φ(Qi))(1+Cε)didetDΦ(xi)λd(Qi)(1+Cε)d(QJ+ε),\lambda_d(\Phi(Q)) \leq \sum_i\lambda_d(\Phi(Q_i)) \leq (1 + C\varepsilon)^d \sum_i \abs{\det D\Phi(x_i)}\,\lambda_d(Q_i) \leq (1 + C\varepsilon)^d\Bigl(\int_Q J + \varepsilon'\Bigr),

والخطوة الأخيرة لأن idetDΦ(xi)1QiJ\sum_i\abs{\det D\Phi(x_i)}\mathbf 1_{Q_i} \to J بانتظام على QQ (باتصال detDΦ\det D\Phi) — أي بمقارنة مجاميع ريمان. ونجعل ε0\varepsilon \to 0: فتصح ()(*) من أجل المكعبات المتراصة.

الخطوة 3: المتراجحة ()(*) من أجل كل مجموعة بوريلية AA. دالة المجموعات Aλd(Φ(A))A \mapsto \lambda_d(\Phi(A))، على الأجزاء البوريلية من UU، قياسٌ (لأن Φ\Phi تقابل على VV يحفظ المجموعات البوريلية والانفصال القابل للعدّ)، وكذلك AAJA \mapsto \int_AJ. وكل جزء مفتوح من UU اتحادٌ قابل للعدّ لمكعبات ثنائية متراصة شبه منفصلة (بالتفكيك الثنائي المعياري: بأخذ المكعبات الثنائية الأعظمية المحتواة في المفتوحة)، والقياسان جمعيان عليها (لأن حدود المكعبات معدومة القياس بالمعنى λd\lambda_d، وصورها بالتطبيق Φ\Phi معدومة القياس حسب الخطوة 2 مطبَّقةً على تغطيات مكعبية رقيقة للأوجه): ومنه تنتقل ()(*) من المكعبات إلى المفتوحات. وأما من أجل مجموعة بوريلية عامة AA: فنستنفد UU بمتراصات KmUK_m \uparrow U مع KmK˚m+1K_m \subseteq \mathring K_{m+1}، ونثبّت mm؛ وعلى K˚m+1\mathring K_{m+1} يكون JJ محدودًا بعدد MmM_m ما. وبالانتظام الخارجي للقياس λd\lambda_d (بالبرهان نفسه كما في المبرهنة 9.13، بالصناديق)، نختار مفتوحات OnO_n تحقق AKmOnK˚m+1A \cap K_m \subseteq O_n \subseteq \mathring K_{m+1} و λd(On(AKm))0\lambda_d\bigl(O_n \setminus (A\cap K_m)\bigr) \to 0. عندئذٍ

λd(Φ(AKm))λd(Φ(On))OnJAKmJ+Mmλd(On(AKm))nAKmJ.\lambda_d\bigl(\Phi(A\cap K_m)\bigr) \leq \lambda_d\bigl(\Phi(O_n)\bigr) \leq \int_{O_n}J \leq \int_{A\cap K_m}J + M_m\,\lambda_d\bigl(O_n\setminus(A\cap K_m)\bigr) \xrightarrow[n\to\infty]{} \int_{A\cap K_m}J .

ونجعل mm \to \infty: بالاتصال من الأسفل على اليسار، وبمبرهنة التقارب الرتيب على اليمين. وهذا يُثبت ()(*).

الخطوة 4: التساوي وصيغة التكامل. نمدّد أولًا ()(*) من المجموعات إلى التكاملات: فمن أجل كل دالة قابلة للقياس g0g \geq 0 على VV،

Vg(y) ⁣dyUg(Φ(x))J(x) ⁣dx.()\int_V g(y)\,\dd y \leq \int_U g(\Phi(x))\,J(x)\,\dd x . \tag{$**$}

وبالفعل، من أجل g=1Bg = \mathbf 1_B هذه هي ()(*) مع A=Φ1(B)A = \Phi^{-1}(B)؛ وتمدّدها الخطية إلى gg البسيطة، وتمدّدها مبرهنة التقارب الرتيب إلى كل g0g \geq 0 (بالآلة المعيارية). والآن نطبّق ()(**) مرتين: أولًا على gg، ثم — من أجل التماثل التفاضلي Φ1\Phi^{-1} — على الدالة xg(Φ(x))J(x)x \mapsto g(\Phi(x))J(x):

VgUg(Φ(x))J(x) ⁣dxVg(y)J(Φ1y)detDΦ1(y) ⁣dy=Vg,\int_Vg \leq \int_U g(\Phi(x))J(x)\dd x \leq \int_V g(y)\,J(\Phi^{-1}y)\,\abs{\det D\Phi^{-1}(y)}\,\dd y = \int_V g ,

لأن J(Φ1y)detDΦ1(y)=det(DΦ(Φ1y)DΦ1(y))=1J(\Phi^{-1}y)\abs{\det D\Phi^{-1}(y)} = \abs{\det\bigl( D\Phi(\Phi^{-1}y)\,D\Phi^{-1}(y)\bigr)} = 1 (بقاعدة السلسلة على ΦΦ1=id\Phi\circ\Phi^{-1} = \mathrm{id}). فتكون جميع المتراجحات تساويات: ومنه تصح الصيغة من أجل g0g \geq 0، ومن أجل دوال L1L^1 بالتفكيك.

مثال 11.12 (الإحداثيات القطبية؛ الدالة الغاوسية من جديد)

التطبيق Φ(r,θ)=(rcosθ,rsinθ)\Phi(r, \theta) = (r\cos\theta, r\sin\theta) تماثل تفاضلي من الصنف C1\mathcal C^1 من (0,+)×(0,2π)\intoo0{+\infty}\times\intoo0{2\pi} على R2\R^2 منزوعًا منه نصف مستقيم (وهو معدوم القياس)، مع detDΦ=r\det D\Phi = r:

R2f(x,y) ⁣dx ⁣dy=02π ⁣ ⁣0+f(rcosθ,rsinθ)r ⁣dr ⁣dθ.\int_{\R^2}f(x, y)\,\dd x\,\dd y = \int_0^{2\pi}\!\!\int_0^{+\infty} f(r\cos\theta, r\sin\theta)\,r\,\dd r\,\dd\theta .

ومن أجل f=ex2y2f = \eu^{-x^2-y^2}، تعطي تونيلي وهذه الصيغة أن

G2=(Rex2 ⁣dx)2=R2ex2y2=2π0rer2 ⁣dr=π:G^2 = \Bigl(\int_\R \eu^{-x^2}\dd x\Bigr)^2 = \int_{\R^2}\eu^{-x^2-y^2} = 2\pi\int_0^\infty r\eu^{-r^2}\dd r = \pi:

وهو البرهان الكلاسيكي ذو السطرين على G=πG = \sqrt\pi، وقد صار الآن مبرَّرًا تمامًا (قارنه ببرهان الوسيط في المسألة 10.1).

مبرهنة 11.13 (حجم الكرة الواحدية)

لتكن vd=λd(B(0,1))v_d = \lambda_d(B(0,1)) في Rd\R^d. عندئذٍ

vd=πd/2Γ(d2+1):v1=2,v2=π,v3=4π3,v4=π22, v_d = \frac{\pi^{d/2}}{\Gamma\bigl(\frac d2 + 1\bigr)} : \qquad v_1 = 2,\quad v_2 = \pi,\quad v_3 = \tfrac{4\pi}3,\quad v_4 = \tfrac{\pi^2}2,\ \dots

برهان. نحسب I=Rdex22 ⁣dλdI = \int_{\R^d}\eu^{-\norm x_2^2}\dd\lambda_d مرتين. فبتونيلي يتفكّك إلى عوامل: I=Gd=πd/2I = G^d = \pi^{d/2}. وبصيغة كعكة الطبقات (القضية 11.8) مع f=ex2f = \eu^{- \norm x^2}، ومجموعات مستوياتها كرات: {f>t}=B(0,lnt)\{f > t\} = B\bigl(0, \sqrt{-\ln t}\bigr) من أجل 0<t<10 < t < 1، وقياسها vd(lnt)d/2v_d(-\ln t)^{d/2} (لأن التمدّد بالعامل ρ\rho يحجّم λd\lambda_d بالعامل ρd\rho^d: المبرهنة 11.10)، ومنه

I=01vd(lnt)d/2 ⁣dt=t=esvd0sd/2es ⁣ds=vdΓ(d2+1).I = \int_0^1 v_d\,(-\ln t)^{d/2}\,\dd t \overset{t = \eu^{-s}}{=} v_d\int_0^\infty s^{d/2}\eu^{-s}\,\dd s = v_d\,\Gamma\Bigl(\frac d2 + 1\Bigr).

ثم نساوي. (والقيم: Γ(32)=π2\Gamma(\frac32) = \frac{\sqrt\pi}2، Γ(2)=1\Gamma(2) = 1، وهكذا.) ولاحظ أن vd0v_d \to 0 حين dd \to \infty — وتكمّم مسألة نهاية الأسبوع سرعة ذلك، عبر ستيرلنغ.

11.4 تمارين

تمرين 11.1

ليكن μ\mu قياس العدّ على ([0,1],B([0,1]))(\intcc01, \mathcal B(\intcc01)) (وهو ليس منتهيًا من النمط σ\sigma) وليكن λ\lambda قياس لوبيغ، ولتكن Δ={(x,x)}\Delta = \{(x,x)\} القطرَ في [0,1]2\intcc01^2. برهن على أن Δ\Delta قابلة للقياس، واحسب التكاملين المتتاليين للمقدار 1Δ\mathbf 1_\Delta بالنسبة إلى λ\lambda و μ\mu: فهما مختلفان. وأي فرضية من فرضيات المبرهنة 11.5 تخفق؟

حل

حل التمرين 11.1.

المجموعة Δ\Delta مغلقة في [0,1]2\intcc01^2، ومنه فهي بوريلية، ويكون B([0,1]2)\mathcal B(\intcc01^2) هو الجبر الجدائي من النمط σ\sigma (القضية 11.2(b)). وبالمكاملة المتتالية في اتجاه:

[0,1](1Δ(x,y) ⁣dλ(y)) ⁣dμ(x)=λ({x}) ⁣dμ(x)=0;\int_{\intcc01}\Bigl(\int \mathbf 1_\Delta(x,y) \,\dd\lambda(y)\Bigr)\dd\mu(x) = \int \lambda(\{x\})\,\dd\mu(x) = 0 ;

وفي الاتجاه الآخر:

[0,1](1Δ(x,y) ⁣dμ(x)) ⁣dλ(y)=μ({y}) ⁣dλ(y)=1 ⁣dλ=1.\int_{\intcc01}\Bigl(\int\mathbf 1_\Delta(x,y)\,\dd\mu(x)\Bigr)\dd\lambda(y) = \int \mu(\{y\})\,\dd\lambda(y) = \int 1\,\dd\lambda = 1 .

والفرضية المخفقة هي الانتهاء من النمط σ\sigma لقياس العدّ μ\mu على المجموعة غير القابلة للعدّ [0,1]\intcc01: إذ لا تغطّيها أي عائلة قابلة للعدّ من المجموعات ذات القياس المنتهي بالمعنى μ\mu.

تمرين 11.2

برّر التبديل واستنبط تكامل ديريكليه من جديد: من أجل A>0A > 0،

0Asinxx ⁣dx=0A ⁣ ⁣0+exysinx ⁣dy ⁣dx=0+ ⁣ ⁣0Aexysinx ⁣dx ⁣dy,\int_0^A\frac{\sin x}x\,\dd x = \int_0^A\!\!\int_0^{+\infty}\eu^{-xy}\sin x\,\dd y\,\dd x = \int_0^{+\infty}\!\!\int_0^A \eu^{-xy}\sin x\,\dd x\,\dd y,

واحسب التكامل الداخلي بصيغة مغلقة، ثم اجعل A+A \to +\infty (بالهيمنة على التكامل في yy) لتحصل على 0sinxx ⁣dx=π2\int_0^\infty\frac{\sin x}x\dd x = \frac\pi2.

حل

حل التمرين 11.2.

على [0,A]×(0,+)\intcc0A\times\intoo0{+\infty}: 0A0exysinx ⁣dy ⁣dx=0Asinxx ⁣dxA<\int_0^A\int_0^\infty\eu^{-xy}\abs{\sin x}\,\dd y\,\dd x = \int_0^A\frac{\abs{\sin x}}x\dd x \leq A < \infty (بتونيلي مطبَّقة على القيمة المطلقة): فتنطبق فوبيني، وبما أن 0exy ⁣dy=1x\int_0^\infty\eu^{-xy}\dd y = \frac1x،

0Asinxx ⁣dx=0(0Aexysinx ⁣dx) ⁣dy=01eAy(cosA+ysinA)1+y2 ⁣dy\int_0^A\frac{\sin x}x\dd x = \int_0^\infty\Bigl(\int_0^A\eu^{-xy}\sin x\,\dd x\Bigr)\dd y = \int_0^\infty \frac{1 - \eu^{-Ay}(\cos A + y\sin A)}{1 + y^2}\,\dd y

(والتكامل الداخلي: Im0Ae(iy)x ⁣dx\operatorname{Im}\int_0^A\eu^{(\iu - y)x}\dd x، محسوبًا مباشرةً). وحين AA \to \infty يُحدّ حدّ التصحيح بالمقدار 0eAy1+y1+y2 ⁣dy320eAy ⁣dy=32A0\int_0^\infty\eu^{-Ay}\frac{1 + y}{1 + y^2}\dd y \leq \frac32\int_0^\infty\eu^{-Ay}\dd y = \frac3{2A} \to 0؛ والحدّ الرئيسي هو 0 ⁣dy1+y2=π2\int_0^\infty\frac{\dd y}{1+y^2} = \frac\pi2. ومنه 0sinxx ⁣dx=π2\int_0^\infty\frac{\sin x}x\dd x = \frac\pi2 — أي تكامل ديريكليه بواسطة فوبيني.

تمرين 11.3 ★★

(a) برهن على أنه من أجل f0f \geq 0 قابلة للقياس ومن أجل μ\mu منتهٍ: n1μ({fn})f ⁣dμμ(X)+n1μ({fn})\sum_{n\geq1}\mu(\{f \geq n\}) \leq \int f\,\dd\mu \leq \mu(X) + \sum_{n\geq1}\mu(\{f\geq n\}): أي إن القابلية للمكاملة هي قابلية قياسات الذيل للجمع. (b) استنتج أن fL1(μ)f \in L^1(\mu) (حيث μ\mu منتهٍ) إذا وفقط إذا كان nμ(fn)<\sum_n\mu(\abs f \geq n) < \infty.

حل

حل التمرين 11.3.

(a) كعكة الطبقات (القضية 11.8): f ⁣dμ=0μ(f>t) ⁣dt\int f\,\dd\mu = \int_0^\infty\mu(f > t)\,\dd t، والدالة tμ(f>t)t \mapsto \mu(f > t) متناقصة بالمعنى الواسع. وعلى [n1,n][n-1, n]: μ(fn)μ(f>t)μ(f>n1)μ(fn1)\mu(f \geq n) \leq \mu(f > t) \leq \mu(f > n - 1) \leq \mu(f \geq n - 1)؛ وبجمع التكاملات على الفترات الواحدية:

n1μ(fn)f ⁣dμn1μ(fn1)=μ(f0)+n1μ(fn)μ(X)+n1μ(fn).\sum_{n\geq1}\mu(f \geq n) \leq \int f\,\dd\mu \leq \sum_{n\geq1}\mu(f \geq n - 1) = \mu(f \geq 0) + \sum_{n\geq1}\mu(f\geq n) \leq \mu(X) + \sum_{n\geq1}\mu(f\geq n).

(b) نطبّق (a) على f\abs f: فيتكافأ انتهاء التكامل مع انتهاء المتسلسلة (لأن الحدّ الإضافي μ(X)\mu(X) منتهٍ).

تمرين 11.4 ★★

من أجل f(x,y)=x2y2(x2+y2)2f(x, y) = \dfrac{x^2 - y^2}{(x^2 + y^2)^2} على (0,1)2\intoo01^2، برهن على

01 ⁣ ⁣01f ⁣dy ⁣dx=π4,01 ⁣ ⁣01f ⁣dx ⁣dy=π4\int_0^1\!\!\int_0^1 f\,\dd y\,\dd x = \frac\pi4, \qquad \int_0^1\!\!\int_0^1 f\,\dd x\,\dd y = -\frac\pi4

(ولاحظ f=y(yx2+y2)f = \partial_y\bigl(\frac{y}{x^2+y^2}\bigr))، وتحقق مباشرةً من  ⁣f=+\int\!\int\abs f = +\infty: فإن فرضية القابلية للمكاملة في مبرهنة فوبيني ليست زخرفية.

حل

حل التمرين 11.4.

بما أن f(x,y)=y(yx2+y2)f(x,y) = \partial_y\bigl(\frac{y}{x^2+y^2}\bigr) من أجل x0x \ne 0:

01f(x,y) ⁣dy=1x2+1  01 ⁣ ⁣01f ⁣dy ⁣dx=01 ⁣dx1+x2=π4;\int_0^1 f(x, y)\,\dd y = \frac{1}{x^2 + 1} \ \Longrightarrow\ \int_0^1\!\!\int_0^1 f\,\dd y\,\dd x = \int_0^1\frac{\dd x}{1 + x^2} = \frac\pi4 ;

وبالتناظر التخالفي f(y,x)=f(x,y)f(y,x) = -f(x,y)، يعطي الترتيب الآخر π4-\frac\pi4. وأما القيم المطلقة: فمن أجل 0<y<x0 < y < x،

0xf(x,y) ⁣dy=[yx2+y2]0x=12x,وf0 هناك، ومنه01 ⁣ ⁣01f01 ⁣dx2x=+.\int_0^x f(x,y)\,\dd y = \Bigl[\frac{y}{x^2 + y^2}\Bigr]_0^x = \frac1{2x}, \quad\text{و} f \geq 0 \text{ هناك، ومنه}\quad \int_0^1\!\!\int_0^1\abs f \geq \int_0^1\frac{\dd x}{2x} = +\infty .

ولا تناقض مع فوبيني: إذ تخفق فرضيتها fL1f \in L^1، ويكون التكاملان المتتاليان ببساطة عددين مختلفين.

تمرين 11.5 ★★

(a) احسب 1[0,1]1[0,1]\mathbf 1_{\intcc01} * \mathbf 1_{\intcc01} صراحةً (وهي دالة خيمة)، والشكل العام للمقدار (111)(\mathbf 1 * \mathbf 1 * \mathbf 1). (b) برهن على supp(fg)suppf+suppg\operatorname{supp}(f * g) \subseteq \overline{\operatorname{supp}f + \operatorname{supp}g}. (c) برهن على أنه إذا كان fL1f \in L^1 وكانت gg محدودة ومتصلة، فإن fgf * g متصلة. (بالتقارب المهيمن عبر اتصال الانسحاب على gg المحدودة.)

حل

حل التمرين 11.5.

(a) (1[0,1]1[0,1])(x)=λ([0,1][x1,x])(\mathbf 1_{\intcc01}*\mathbf 1_{\intcc01})(x) = \lambda\bigl(\intcc01\cap\intcc{x-1}x\bigr): أي 00 من أجل x[0,2]x \notin \intcc02، و xx من أجل 0x10 \leq x \leq 1، و 2x2 - x من أجل 1x21 \leq x \leq 2: وهي الخيمة. ويعطي التفافها مرة أخرى نتوءًا من الصنف C1\mathcal C^1 كثيرَ حدود بالقطع من الدرجة الثانية على [0,3]\intcc03 (أي دالة السبلاين التربيعية): فكل التفاف يكسب درجة نعومة إضافية — وهذا هو مبدأ التنعيم الكامن وراء مليِّفات الفصل 12.

(b) إذا كان xsuppf+suppgx \notin \overline{\operatorname{supp}f + \operatorname{supp}g}، فثمة كرة حول xx منفصلة عن مجموعة المجموع؛ إذ من أجل ysuppgy \in \operatorname{supp}g يكون xysuppfx - y \notin\operatorname{supp}f، ومنه ينعدم المقدار المكامَل انعدامًا تامًّا: أي fg=0f * g = 0 بجوار xx.

(c) من أجل xnxx_n \to x: (fg)(xn)=f(y)g(xny) ⁣dy(f*g)(x_n) = \int f(y)g(x_n - y)\,\dd y؛ تتقارب المقادير المكامَلة نقطةً نقطة (باتصال gg) وتُهيمَن بالمقدار gfL1\norm g_\infty\,\abs f \in L^1: فتعطي مبرهنة التقارب المهيمن أن (fg)(xn)(fg)(x)(f*g)(x_n) \to (f*g)(x).

تمرين 11.6 ★★

(a) برهن على أن المُبسَّط Δd={x[0,)d:x1++xd1}\Delta_d = \{x \in \intco0\infty^d : x_1 + \dots + x_d \leq 1\} حجمه 1d!\frac1{d!} (بالتراجع وفوبيني). (b) استعد v2=πv_2 = \pi و v3=4π3v_3 = \frac{4\pi}3 من المبرهنة 11.13، وبرهن على λd(مجسم إهليلجي بأنصاف محاورai)=vdai\lambda_d(\text{مجسم إهليلجي بأنصاف محاور} a_i) = v_d\prod a_i.

حل

حل التمرين 11.6.

(a) بفوبيني وبالتراجع، بالتشريح على امتداد الإحداثي الأخير:

λd(Δd)=01λd1((1t)Δd1) ⁣dt=λd1(Δd1)01(1t)d1 ⁣dt=λd1(Δd1)d,\lambda_d(\Delta_d) = \int_0^1 \lambda_{d-1}\bigl((1 - t)\,\Delta_{d-1}\bigr)\,\dd t = \lambda_{d-1}(\Delta_{d-1})\int_0^1(1 - t)^{d-1}\dd t = \frac{\lambda_{d-1}(\Delta_{d-1})}{d},

باستعمال قاعدة التمدّد λd1(ρA)=ρd1λd1(A)\lambda_{d-1}(\rho A) = \rho^{d-1}\lambda_{d-1}(A) (المبرهنة 11.10)؛ ومع λ1(Δ1)=1\lambda_1(\Delta_1) = 1: يكون الحجم 1d!\frac1{d!}.

(b) v2=π/Γ(2)=πv_2 = \pi/\Gamma(2) = \pi؛ v3=π3/2/Γ(52)=π3/2/(3212π)=4π3v_3 = \pi^{3/2}/\Gamma(\frac52) = \pi^{3/2}/(\frac32\cdot\frac12 \sqrt\pi) = \frac{4\pi}3. والمجسم الإهليلجي هو T(B(0,1))T(B(0,1)) حيث T=diag(a1,,ad)T = \operatorname{diag}(a_1, \dots, a_d): فتعطي المبرهنة 11.10 الحجم vdaiv_d\prod a_i.

تمرين 11.7 ★★

من أجل أي s>0s > 0 يكون ما يلي منتهيًا؟ برّر بالإحداثيات القطبية:

B(0,1)R2 ⁣dx ⁣dy(x2+y2)s,R2B(0,1) ⁣dx ⁣dy(x2+y2)s.\int_{B(0,1)\subseteq\R^2}\frac{\dd x\,\dd y}{(x^2 + y^2)^{s}}, \qquad \int_{\R^2\setminus B(0,1)}\frac{\dd x\,\dd y}{(x^2 + y^2)^{s}} .

وعمّم على Rd\R^d (بالعتبتين s<d/2s < d/2 و s>d/2s > d/2).

حل

حل التمرين 11.7.

في R2\R^2، بالإحداثيات القطبية (المثال 11.12):

B(0,1) ⁣dx ⁣dy(x2+y2)s=2π01r12s ⁣dr,R2B(0,1)=2π1r12s ⁣dr:\int_{B(0,1)}\frac{\dd x\dd y}{(x^2+y^2)^s} = 2\pi\int_0^1 r^{1 - 2s}\,\dd r, \qquad \int_{\R^2\setminus B(0,1)} = 2\pi\int_1^\infty r^{1-2s}\dd r:

وهو منتهٍ إذا وفقط إذا كان 12s>11 - 2s > -1 (أي s<1s < 1)، وعلى التوالي 12s<11 - 2s < -1 (أي s>1s > 1). وفي Rd\R^d، نتفادى الإحداثيات الكروية بواسطة كعكة الطبقات: λd({x2s>t}B(0,1))=λd(B(0,min(1,t1/2s)))=vdmin(1,td/2s)\lambda_d(\{\norm x^{-2s} > t\}\cap B(0,1)) = \lambda_d(B(0, \min(1, t^{-1/2s}))) = v_d\min(1, t^{-d/2s})، ويكون 0vdmin(1,td/(2s)) ⁣dt<\int_0^\infty v_d\min(1, t^{-d/(2s)})\dd t < \infty إذا وفقط إذا كان d2s>1\frac d{2s} > 1، أي s<d2s < \frac d2؛ ويتقارب التكامل الخارجي إذا وفقط إذا كان s>d2s > \frac d2 (بالحساب نفسه على المنطقة المتممة).

تمرين 11.8 ★★★

(بيتا–غاما) من أجل p,q>0p, q > 0، لتكن B(p,q)=01tp1(1t)q1 ⁣dtB(p, q) = \int_0^1t^{p-1}(1 - t)^{q-1}\dd t. انطلاقًا من Γ(p)Γ(q)\Gamma(p)\Gamma(q) بوصفه تكاملًا مزدوجًا، عوّض (x,y)=(uv,u(1v))(x, y) = (uv,\, u(1 - v)) (وهو تماثل تفاضلي للربع المفتوح على (0,)×(0,1)\intoo0\infty\times\intoo01؛ واحسب محدد ياكوبي له =u= u) واخلص إلى

B(p,q)=Γ(p)Γ(q)Γ(p+q).B(p, q) = \frac{\Gamma(p)\,\Gamma(q)}{\Gamma(p + q)} .

واستنتج 0π/2sin2p1θcos2q1θ ⁣dθ=12B(p,q)\int_0^{\pi/2}\sin^{2p-1}\theta\cos^{2q-1}\theta\, \dd\theta = \frac12B(p,q) وقيمة تكاملات واليس Wn=0π/2sinnW_n = \int_0^{\pi/2}\sin^n.

حل

حل التمرين 11.8.

بتونيلي (لأن المقادير المكامَلة موجبة) وبتغيير المتغيّرات (x,y)=Φ(u,v)=(uv, u(1v))(x, y) = \Phi(u, v) = (uv,\ u(1-v))، وهو تماثل تفاضلي من الصنف C1\mathcal C^1 من (0,)×(0,1)\intoo0\infty\times\intoo01 على الربع المفتوح مع

detDΦ=det(vu1vu)=uvu(1v)=u,det=u:\det D\Phi = \det\begin{pmatrix} v & u\\ 1 - v & -u \end{pmatrix} = -uv - u(1 - v) = -u, \qquad \abs{\det} = u :
Γ(p)Γ(q)=xp1yq1exy ⁣dx ⁣dy=(uv)p1(u(1v))q1euu ⁣du ⁣dv=Γ(p+q)B(p,q).\Gamma(p)\Gamma(q) = \iint x^{p-1}y^{q-1}\eu^{-x-y}\dd x\,\dd y = \iint (uv)^{p-1}\bigl(u(1{-}v)\bigr)^{q-1}\eu^{-u}\,u\, \dd u\,\dd v = \Gamma(p + q)\,B(p, q).

وبالتعويض t=sin2θt = \sin^2\theta في B(p,q)B(p,q) نجد 20π/2sin2p1θcos2q1θ ⁣dθ=B(p,q)2\int_0^{\pi/2}\sin^{2p-1}\theta\cos^{2q-1}\theta\,\dd\theta = B(p, q). وأما واليس: Wn=0π/2sinnθ ⁣dθ=12B(n+12,12)=Γ(n+12)π2Γ(n2+1)W_n = \int_0^{\pi/2}\sin^n\theta\,\dd\theta = \frac12B\bigl(\frac{n + 1}2, \frac12\bigr) = \frac{\Gamma(\frac{n+1}2)\sqrt\pi} {2\,\Gamma(\frac n2 + 1)} — مثلًا W2n=π2(2n)!4n(n!)2W_{2n} = \frac\pi2\cdot\frac{(2n)!}{4^n(n!)^2} باستعمال Γ(n+12)=(2n)!4nn!π\Gamma(n + \frac12) = \frac{(2n)!}{4^nn!}\sqrt\pi.

تمرين 11.9 ★★

(صيغة النقل) لتكن T ⁣:(X,A,μ)(Y,B)T \colon (X, \mathcal A, \mu) \to (Y, \mathcal B) قابلة للقياس وليكن Tμ(B)=μ(T1(B))T_*\mu(B) = \mu(T^{-1}(B)) القياس المدفوع. برهن على أنه من أجل كل دالة قابلة للقياس g0g \geq 0 على YY:

Yg ⁣d(Tμ)=XgT ⁣dμ\int_Y g\,\dd(T_*\mu) = \int_X g\circ T\,\dd\mu

(بالآلة المعيارية). ثم قارن ذلك مع المبرهنة 11.10: فما المعلومة الإضافية التي تحملها صيغة تغيير المتغيّرات ولا تحملها صيغة النقل المجرّدة؟ (فصيغة النقل لا تعيّن TμT_*\mu أبدًا؛ أما مبرهنة تغيير المتغيّرات فتحسب TλdT_*\lambda_d صراحةً بوصفه قياسًا ذا كثافة.)

حل

حل التمرين 11.9.

بالدوال المميّزة: 1B ⁣d(Tμ)=Tμ(B)=μ(T1B)=1BT ⁣dμ\int\mathbf 1_B\,\dd(T_*\mu) = T_*\mu(B) = \mu(T^{-1}B) = \int\mathbf 1_B\circ T\,\dd\mu؛ وتمدّدها الخطية إلى gg البسيطة، وتمدّدها مبرهنة التقارب الرتيب إلى g0g \geq 0 — وهذه صيغة النقل. وهي شكلية محضة: إذ تعيد كتابة التكاملات بالنسبة إلى TμT_*\mu لكنها لا تقول شيئًا عن ماهية TμT_*\mu. أما مضمون المبرهنة 11.10 والمبرهنة 11.11 فهو التعيين

Φ(λdU)=detDΦ1λdV(أي قياس ذو كثافة),\Phi_*\bigl(\lambda_d\restriction_U\bigr) = \abs{\det D\Phi^{-1}}\,\lambda_d\restriction_V \quad\text{(أي قياس ذو كثافة)},

أي حساب القياس المدفوع لقياس لوبيغ — والمُدخَل التحليلي هنا هو الهندسة التفاضلية للتطبيق Φ\Phi، لا الشكلانية القياسية.

تمرين 11.10 ★★★

(العزوم الغاوسية) باستعمال الإحداثيات القطبية وفوبيني، احسب من أجل الوزن الغاوسي المعياري على Rd\R^d:

Rdx22  ex22 ⁣dxوRdx12ex22 ⁣dx,\int_{\R^d}\norm x_2^2\;\eu^{-\norm x_2^2}\,\dd x \qquad\text{و}\qquad \int_{\R^d}x_1^2\,\eu^{-\norm x^2_2}\,\dd x,

وتحقق من الاتساق (x2=xi2\norm x^2 = \sum x_i^2)، واستنتج العزم الثاني للقياس πd/2ex2 ⁣dx\pi^{-d/2}\eu^{-\norm x^2}\dd x.

حل

حل التمرين 11.10.

بتونيلي يتفكّك الوزن الغاوسي إلى عوامل، ومنه، مع G1=Res2 ⁣ds=πG_1 = \int_\R\eu^{-s^2}\dd s = \sqrt\pi و Rs2es2 ⁣ds=π2\int_\R s^2\eu^{-s^2}\dd s = \frac{\sqrt\pi}2 (بالمكاملة بالتجزئة):

Rdx12ex2 ⁣dx=π2  π(d1)/2=πd/22,Rdx2ex2 ⁣dx=dπd/22\int_{\R^d}x_1^2\,\eu^{-\norm x^2}\dd x = \frac{\sqrt\pi}2\;\pi^{(d-1)/2} = \frac{\pi^{d/2}}2, \qquad \int_{\R^d}\norm x^2\eu^{-\norm x^2}\dd x = d\cdot\frac{\pi^{d/2}}2

(وبالتناظر يسهم المقدار x2=ixi2\norm x^2 = \sum_ix_i^2 بعدد dd من الحدود المتساوية — وهذا هو فحص الاتساق). وأما من أجل القياس المعيَّر πd/2ex2 ⁣dx\pi^{-d/2}\eu^{-\norm x^2}\dd x، فالعزم الثاني هو d2\frac d2.

تمرين 11.11 ★★

(المنحني البياني وما تحته) لتكن f ⁣:Rd[0,)f \colon \R^d \to \intco0\infty قابلة للقياس. (a) برهن على أن ما تحت المنحني البياني H={(x,y)Rd×R:0<y<f(x)}H = \{(x, y) \in \R^d\times\R : 0 < y < f(x)\} قابل للقياس في Rd+1\R^{d+1} مع

λd+1(H)=Rdf ⁣dλd:\lambda_{d+1}(H) = \int_{\R^d}f\,\dd\lambda_d :

أي «التكامل هو المساحة تحت المنحني البياني»، وقد صار أخيرًا مبرهنةً. (بالشرائح؛ وتونيلي.) (b) برهن على أن المنحني البياني {(x,f(x)):xRd}\{(x, f(x)) : x \in \R^d\} مجموعةٌ معدومة القياس في Rd+1\R^{d+1}. (c) استنتج برهانًا من سطرين على أن الكرة Sd1S^{d-1} معدومة القياس بمعنى لوبيغ في Rd\R^d.

حل

حل التمرين 11.11.

(a) H=Φ1((0,))H = \Phi^{-1}(\intoo0\infty) من أجل Φ(x,y)=f(x)y\Phi(x, y) = f(x) - y، مقاطعةً مع {y>0}\{y > 0\}: وهي قابلة للقياس، لأن (x,y)f(x)(x, y) \mapsto f(x) والتطبيق (x,y)y(x,y)\mapsto y قابلان للقياس على الجداء (بالتركيب مع الإسقاطين). وشريحة HH عند xx هي (0,f(x))\intoo0{f(x)}، وقياسها f(x)f(x): فتكامل تونيلي الشرائحَ،

λd+1(H)=Rdλ1((0,f(x))) ⁣dx=Rdf ⁣dλd.\lambda_{d+1}(H) = \int_{\R^d}\lambda_1\bigl(\intoo0{f(x)} \bigr)\,\dd x = \int_{\R^d}f\,\dd\lambda_d .

(b) المنحني البياني هو {(x,y):yf(x)}{yf(x)}\{(x,y) : y \geq f(x)\} \cap \{y \leq f(x)\}، وهو قابل للقياس؛ وشرائحه عند xx مجموعاتٌ أحادية قياسها 00: فتعطي تونيلي أن λd+1(المنحني البياني)=0=0\lambda_{d+1}(\text{المنحني البياني}) = \int 0 = 0.

(c) الكرة Sd1S^{d-1} اتحادُ المنحنيين البيانيين y=±1x2y = \pm\sqrt{1 - \abs{x'}^2} فوق الكرة الواحدية من Rd1\R^{d-1} (بفصل الإحداثي الأخير): أي اتحاد مجموعتين معدومتي القياس حسب (b)، ومنه فهي معدومة القياس.

تمرين 11.12 ★★

(تكامل مزدوج شهير) باستعمال المتسلسلة الهندسية وتونيلي على (0,1)2\intoo01^2، برهن على

01 ⁣ ⁣01 ⁣dx ⁣dy1xy=n11n2=ζ(2),01 ⁣ ⁣01 ⁣dx ⁣dy1+xy=n1(1)n1n2=ζ(2)2.\int_0^1\!\!\int_0^1\frac{\dd x\,\dd y}{1 - xy} = \sum_{n\geq1}\frac1{n^2} = \zeta(2), \qquad \int_0^1\!\!\int_0^1\frac{\dd x\,\dd y}{1 + xy} = \sum_{n\geq1}\frac{(-1)^{n-1}}{n^2} = \frac{\zeta(2)}2 .

(والمتطابقة الثانية للمتسلسلة: بفصل الأدلّة الزوجية عن الفردية.) ومع ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6 (الفصل 15)، يُقيَّم تكاملان بريئا المظهر بالقيمتين π26\frac{\pi^2}6 و π212\frac{\pi^2}{12}؛ وأين تعمل فرضية الإيجابية في مبرهنة تونيلي بالضبط؟

حل

حل التمرين 11.12.

على (0,1)2\intoo01^2، 11xy=n0(xy)n\frac1{1 - xy} = \sum_{n\geq0}(xy)^n بحدود غير سالبة: فتسمح تونيلي بالمكاملة حدًّا حدًّا،

 ⁣dx ⁣dy1xy=n0(01xn ⁣dx)(01yn ⁣dy)=n01(n+1)2=ζ(2).\iint\frac{\dd x\,\dd y}{1 - xy} = \sum_{n\geq0}\Bigl(\int_0^1x^n\dd x\Bigr) \Bigl(\int_0^1y^n\dd y\Bigr) = \sum_{n\geq0}\frac1{(n+1)^2} = \zeta(2) .

وأما في الحالة المتناوبة، فإن 11+xy=n(1)n(xy)n\frac1{1 + xy} = \sum_n(-1)^n(xy)^n ليست متسلسلة موجبة؛ غير أن تكامل المتسلسلة المطلقة هو ζ(2)<\zeta(2) < \infty، ومنه تنطبق فوبيني (بعد أن ثبتت القابلية للمكاملة):  ⁣dx ⁣dy1+xy=n(1)n(n+1)2\iint\frac{\dd x\dd y}{1 + xy} = \sum_n\frac{(-1)^n}{(n+1)^2}. وأما متطابقة المتسلسلة:

n1(1)n1n2=n11n22k11(2k)2=ζ(2)ζ(2)2=ζ(2)2.\sum_{n\geq1}\frac{(-1)^{n-1}}{n^2} = \sum_{n\geq1}\frac1{n^2} - 2\sum_{k\geq1}\frac1{(2k)^2} = \zeta(2) - \frac{\zeta(2)}2 = \frac{\zeta(2)}2 .

ومع ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6 (المسألة 15.1): يكون التكاملان π26\frac{\pi^2}6 و π212\frac{\pi^2}{12}. وكانت إيجابية تونيلي هي كل الرهان في الحساب الأول — إذ لا حاجة إلى فحص القابلية للمكاملة قبل التبديل؛ وأما في الثاني، فإيجابية المتسلسلة المطلقة هي التي تشهد بالقابلية للمكاملة حتى تشتغل فوبيني على المتسلسلة ذات الإشارة.

11.5 مسألة: صيغة ستيرلنغ

مسألة 11.1

مسألة نهاية الأسبوع — n!2πn(n/e)nn! \sim \sqrt{2\pi n}\,(n/\eu)^n، بالتقارب المهيمن

تحكم صيغة ستيرلنغ كل إحصاء مقارب في هذا الكتاب — أحجام الكرات، والمعاملات الثنائية، والصيغة المحلية لمبرهنة النهاية المركزية. ونبرهن عليها من تكامل Γ\Gamma (المثال 10.16) بواسطة طريقة لابلاس، في صيغتها الأنقى بالتقارب المهيمن، ثم نجمع العوائد.

الجزء الأول — الصيغة. من أجل t>0t > 0، Γ(t+1)=0xtex ⁣dx\Gamma(t + 1) = \int_0^\infty x^{t}\eu^{-x}\dd x.

  1. عوّض x=t+tux = t + \sqrt t\,u وبرهن على

    Γ(t+1)ttett=t+exp(tln(1+ut)tu) ⁣du  =  Rgt(u) ⁣du,\frac{\Gamma(t+1)}{t^{t}\eu^{-t}\sqrt t} = \int_{-\sqrt t}^{+\infty} \exp\Bigl(t\ln\Bigl(1 + \frac u{\sqrt t}\Bigr) - \sqrt t\,u\Bigr)\,\dd u \;=\;\int_\R g_t(u)\,\dd u,

    حيث gt(u)=exp(tln(1+u/t)tu)1u>tg_t(u) = \exp\bigl(t\ln(1 + u/\sqrt t) - \sqrt t\,u\bigr)\mathbf 1_{u > -\sqrt t}.

  2. برهن على النهاية نقطةً نقطة: من أجل كل uu مثبَّت، gt(u)eu2/2g_t(u) \to \eu^{-u^2/2} حين t+t \to +\infty (انشر ln(1+h)\ln(1 + h) حتى الرتبة الثانية).
  3. الهيمنة. لتكن φ(h)=ln(1+h)h\varphi(h) = \ln(1 + h) - h، بحيث يكون gt(u)=exp(tφ(u/t))g_t(u) = \exp\bigl(t\,\varphi(u/\sqrt t)\bigr) من أجل u>tu > -\sqrt t. برهن على الحدّين

    φ(h)h24(1<h1),φ(h)ch(h1),  c=1ln2>0\varphi(h) \leq -\frac{h^2}4 \quad (-1 < h \leq 1), \qquad \varphi(h) \leq -c\,h \quad (h \geq 1),\ \ c = 1 - \ln 2 > 0

    (ادرس φ(h)+h24\varphi(h) + \frac{h^2}4 و φ(h)+ch\varphi(h) + ch: احسب المشتقات وتحقق من الإشارة على كل مجال). واستنتج، من أجل t1t \geq 1:

    gt(u)eu2/4  (ut),gt(u)ecu  (ut),g_t(u) \leq \eu^{-u^2/4}\ \ (\abs u \leq \sqrt t), \qquad g_t(u) \leq \eu^{-cu}\ \ (u \geq \sqrt t),

    بحيث يكون gt(u)eu2/4+ecu1u>0g_t(u) \leq \eu^{-u^2/4} + \eu^{-cu}\,\mathbf 1_{u > 0}: أي مهيمِن قابل للمكاملة لا يتعلق بالوسيط t1t \geq 1.

  4. اخلص بمبرهنة التقارب المهيمن وبالتكامل الغاوسي (المثال 11.12):

    Γ(t+1)    2πt  (te)t(t+),\Gamma(t + 1) \;\sim\; \sqrt{2\pi t}\;\Bigl(\frac t\eu\Bigr)^{t} \qquad (t \to +\infty),

    وعلى وجه الخصوص n!2πn(n/e)nn! \sim \sqrt{2\pi n}\,(n/\eu)^n.

الجزء الثاني — العوائد.

  1. (واليس) من التمرين 11.8، وبصيغ من نمط W2n=π2(2nn)4nW_{2n} = \frac\pi2\binom{2n}n4^{-n}: استنبط (2nn)4nπn\binom{2n}{n} \sim \frac{4^n}{\sqrt{\pi n}} من ستيرلنغ، وتحقق منها مقابل العلاقة التراجعية Wn=n1nWn2W_{n} = \frac{n-1}nW_{n-2}.
  2. (أحجام الكرات تنهار) برهن على

    vd=πd/2Γ(d2+1)    1πd(2πed)d/2,v_d = \frac{\pi^{d/2}}{\Gamma(\frac d2 + 1)} \;\sim\; \frac{1}{\sqrt{\pi d}} \Bigl(\frac{2\pi\eu}{d}\Bigr)^{d/2},

    ومنه فإن vd0v_d \to 0 أسرع من أي متتالية هندسية؛ وجد البُعد الذي يعظّم vdv_d (عدديًا: d=5d = 5).

  3. (تركّز الثنائي — استباقًا لِما في الفصل 23) باستعمال ستيرلنغ، برهن على التقدير المحلي، من أجل k=n/2+sn/2k = n/2 + s\sqrt n/2 مع ss مثبَّت و nn زوجي:

    2n(nk)    2πn  es2/2,2^{-n}\binom{n}{k} \;\sim\; \sqrt{\frac{2}{\pi n}}\;\eu^{-s^2/2},

    أي المقطع الغاوسي المتقطّع: أي دي موافر–لابلاس في مهدها.

  4. وأين استعمل برهان الجزء الأول بالضبط: (أ) مبرهنة التقارب الرتيب أو المهيمن؛ (ب) التكامل الغاوسي؛ (ج) خصائص صمود قياس لوبيغ؟ بجملة واحدة لكلٍّ.

الجزء الثالث — حد الخطأ: ستيرلنغ بحصر. نضع dn=lnn!(n+12)lnn+nln2πd_n = \ln n! - \bigl(n + \tfrac12\bigr)\ln n + n - \ln\sqrt{2\pi}، بحيث يقول الجزء الأول إن dn0d_n \to 0.

  1. برهن على dndn+1=(n+12)ln(1+1n)1d_n - d_{n+1} = \bigl(n + \tfrac12\bigr)\ln\bigl(1 + \tfrac1n\bigr) - 1.
  2. مع t=12n+1t = \frac1{2n+1}، تحقق من n+1n=1+t1t\frac{n+1}n = \frac{1+t}{1-t} وانشر:

    dndn+1=t23+t45+t67+,d_n - d_{n+1} = \frac{t^2}3 + \frac{t^4}5 + \frac{t^6}7 + \cdots,

    واستنتج الحدّين

    13(2n+1)2  <  dndn+1  <  112n112(n+1).\frac1{3(2n+1)^2} \;<\; d_n - d_{n+1} \;<\; \frac1{12n} - \frac1{12(n+1)} .
  3. تلسكب (باستعمال dm0d_m \to 0) وتحقق من المتطابقة الجبرية اللطيفة 13(2m+1)2>112m+1112(m+1)+1\frac1{3(2m+1)^2} > \frac1{12m+1} - \frac1{12(m+1)+1} من أجل m1m \geq 1، لتحصل على الحصر الكلاسيكي

    2πn(ne)ne1/(12n+1)  <  n!  <  2πn(ne)ne1/(12n).\sqrt{2\pi n}\Bigl(\frac n\eu\Bigr)^n \eu^{1/(12n+1)} \;<\; n! \;<\; \sqrt{2\pi n}\Bigl(\frac n\eu\Bigr)^n\eu^{1/(12n)} .
  4. نتيجتان: (a) يكون الخطأ النسبي لصيغة ستيرلنغ <106< 10^{-6} متى كان n83334n \geq 83\,334؛ (b) قدّر 100!100! بأربعة أرقام معنوية يدويًا من الحصر (100!9.332610157100! \approx 9.3326\cdot 10^{157})، وتعجّب قليلًا من دقة صيغة مقاربة عند nn منتهٍ جدًّا.

الجزء الرابع — طريق واليس: ستيرلنغ دون الدالة الغاوسية. تاريخيًا جاء الثابت 2π\sqrt{2\pi} من واليس لا من غاوس؛ ويعيد هذا الجزء البرهان على ستيرلنغ مستقلًّا عن الجزأين الأول والثاني، ومن ثَمّ يعيد البرهان على التكامل الغاوسي. لتكن Wn=0π/2sinnθ ⁣dθW_n = \int_0^{\pi/2}\sin^n\theta\, \dd\theta.

  1. أثبت Wn=n1nWn2W_n = \frac{n-1}nW_{n-2} (بالمكاملة بالتجزئة)، والصيغتين المغلقتين

    W2n=π2(2nn)4n,W2n+1=4n(2n+1)(2nn),W_{2n} = \frac\pi2\binom{2n}n4^{-n}, \qquad W_{2n+1} = \frac{4^n}{(2n+1)\binom{2n}n},

    والمتطابقة WnWn1=π2nW_nW_{n-1} = \frac\pi{2n}.

  2. من رتابة (Wn)(W_n) استنتج W2n/W2n+11W_{2n}/W_{2n+1} \to 1، ثم

    W2n12πnو(2nn)4nn1π:W_{2n} \sim \frac12\sqrt{\frac\pi n} \qquad\text{و}\qquad \binom{2n}n4^{-n}\sqrt n \longrightarrow \frac1{\sqrt\pi} :

    أي مبرهنة واليس، محصَّلًا عليها دون ستيرلنغ.

  3. برهن، بتلسكبة الجزء الثالث وحدها (دون حاجة إلى قيمة الثابت)، على أن en=lnn!(n+12)lnn+ne_n = \ln n! - (n + \frac12)\ln n + n يتقارب إلى نهاية ما \ell؛ وهذا يكافئ n!Knn+1/2enn! \sim K\,n^{n+1/2}\eu^{-n} مع K=e>0K = \eu^\ell > 0 غير معيَّن بعد.
  4. أدخل هذا التقدير المقارب في (2nn)4nn\binom{2n}n4^{-n}\sqrt n وعيّن، باستعمال السؤال 14، القيمةَ الوحيدة الممكنة: K=2πK = \sqrt{2\pi}. وركّب المنطق: فالجزآن الثالث والرابع معًا يعطيان برهانًا ثانيًا كاملًا على ستيرلنغ — ومن ثَمّ، بتشغيل تعويض الجزء الأول عكسيًا، تقييمًا مستقلًّا للمقدار Reu2/2 ⁣du=2π\int_\R\eu^{-u^2/2}\dd u = \sqrt{2\pi}. ركنان، يسند كلٌّ منهما الآخر.

الجزء الخامس — عوائد أخيرة.

  1. (المقطع المحلي الكامل) من أجل الأعداد الصحيحة jKn\abs j \leq K\sqrt n (حيث KK مثبَّت)، برهن على

    (2nn+j)(2nn)=i=1jni+1n+i=exp(j2n+O(1n)),\frac{\binom{2n}{n+j}}{\binom{2n}{n}} = \prod_{i=1}^{\abs j}\frac{n - i + 1}{n + i} = \exp\Bigl(-\frac{j^2}n + O\Bigl(\frac1{\sqrt n}\Bigr)\Bigr),

    بانتظام في jj (خذ اللوغاريتمات واستعمل ln1x1+y=(x+y)+O(x2+y2)\ln \frac{1-x}{1+y} = -(x + y) + O(x^2 + y^2)). وهذه هي الصيغة ذات الطرفين للسؤال 7 والتقدير المضبوط المذكور في مسألة نهاية الأسبوع من الفصل 23.

  2. (استباق بواسون) برهن بستيرلنغ على ennnn!12πn\eu^{-n}\dfrac{n^n}{n!} \sim \dfrac1{\sqrt{2\pi n}}: أي إن منوال قانون بواسون ذي المتوسط الكبير nn يحمل الكتلة (2πn)1/2\approx (2\pi n)^{-1/2}، تمامًا كما ستتنبّأ مبرهنة النهاية المركزية.
  3. (نسب غاما) من أجل a(0,1)a \in \intoo01، برهن على Γ(n+a)Γ(n)na1\dfrac{\Gamma(n + a)}{\Gamma(n)\,n^a} \to 1 باستعمال حدود ميل التحدّب اللوغاريتمي في المسألة 10.1 (السؤال 14 هناك)، ومدّد إلى كل عدد حقيقي a>0a > 0 بالمعادلة الدالية. (وهذا ما تعنيه عبارة «Γ(t+1)\Gamma(t+1) \sim ستيرلنغ» بين الأعداد الصحيحة.)
  4. (الكرات، مرة أخرى) من vd=πd/2/Γ(d2+1)v_d = \pi^{d/2}/\Gamma(\frac d2 + 1): كوِّن جدولًا للقيم v1,,v7v_1, \dots, v_7 بالضبط، وتحقق من وحدانية المنوال عبر vdvd2=2πd\frac{v_d}{v_{d-2}} = \frac{2\pi}d (متزايد ما دام d<2πd < 2\pi، ومتناقص بعده)، وبرهن على المتطابقة المولِّدة اللافتة

    k0v2kx2k=eπx2:\sum_{k\geq0}v_{2k}\,x^{2k} = \eu^{\pi x^2} :

    أي إن جميع أحجام الكرات الواحدية ذات الأبعاد الزوجية محزومة في أُسّي واحد.

  5. (مقاربات الإنتروبيا) من أجل α(0,1)\alpha \in \intoo01 مثبَّت مع αnN\alpha n \in \N، استنتج من ستيرلنغ

    (nαn)    enH(α)2πα(1α)n,H(α)=αlnα(1α)ln(1α):\binom{n}{\alpha n} \;\sim\; \frac{\eu^{n\,H(\alpha)}} {\sqrt{2\pi\,\alpha(1-\alpha)\,n}}, \qquad H(\alpha) = -\alpha\ln\alpha - (1-\alpha)\ln(1-\alpha) :

    أي إن معدل النمو الأُسّي للمعاملات الثنائية هو الإنتروبيا HH — وتحقق من أن α=12\alpha = \frac12 يستعيد السؤال 5، ومن أن H(α)<ln2H(\alpha) < \ln2 من أجل α12\alpha \neq \frac12 (ومنه فإن المعاملات الثنائية البعيدة عن المركز مهملة أُسّيًا بالنسبة إلى 2n2^n).

  6. (مساحات السطوح) مساحة الكرة الواحدية Sd1S^{d-1} هي sd1=dvds_{d-1} = d\,v_d (المبرهَن عليها بوصفها التمرين 21.6 في فصل الصيغ التفاضلية؛ ونأخذها هنا تعريفًا). كوِّن جدولًا للقيم s0,,s6s_0, \dots, s_6، وحدّد أكبرها (d1=6d - 1 = 6، s6=16π31533.07s_6 = \frac{16\pi^3}{15} \approx 33.07)، وبرهن على أن sd10s_{d-1} \to 0 بسرعة تفوق الهندسية أيضًا — فالكرات في الأبعاد العالية، بكل مقياس إقليدي، متلاشية الصغر.
  7. (حد التصحيح الأول) استنتج من حصر السؤال 11 أن dn=112n+O(1n2)d_n = \frac1{12n} + O\bigl(\frac1{n^2}\bigr)، ومنه

    n!=2πn(ne)n(1+112n+O(1n2)).n! = \sqrt{2\pi n}\,\Bigl(\frac n\eu\Bigr)^{n}\Bigl(1 + \frac1{12n} + O\Bigl(\frac1{n^2}\Bigr)\Bigr).

    وتحقق عند n=10n = 10: تعطي الصيغة المجرّدة 35986963\,598\,696 (بخطأ نسبي 8.31038.3\cdot10^{-3})، وتعطي المصحَّحة 36286853\,628\,685 مقابل 10!=362880010! = 3\,628\,800 (بخطأ نسبي 3.21053.2\cdot10^{-5}) — فحدٌّ واحد من المتسلسلة يشتري رقمين ونصف رقم.

  8. (وسيط Γ\Gamma) برهن على

    1Γ(t+1)0txtex ⁣dx    12(t+):\frac{1}{\Gamma(t+1)} \int_0^{t} x^{t}\eu^{-x}\,\dd x \;\longrightarrow\; \frac12 \qquad (t \to +\infty) :

    مقاربًا، أي إن نصف كتلة المقدار المكامَل للدالة Γ\Gamma بالضبط يقع تحت منوالها x=tx = t. (شغّل تعويض الجزء الأول على التكامل المبتور؛ ومهيمِن السؤال 3 موجود أصلًا.)

  9. (الإنتروبيا، لا مقاربًا) من أجل α(0,12]\alpha \in \intoc0{\frac12} برهن على الحد، الصحيح من أجل كل n1n \geq 1:

    k=0αn(nk)    enH(α),\sum_{k=0}^{\lfloor\alpha n\rfloor}\binom nk \;\leq\; \eu^{n\,H(\alpha)} ,

    بمقارنة المجموع بالمقدار k(nk)λkαn\sum_k\binom nk\lambda^{k-\alpha n} من أجل الميل λ=α1α1\lambda = \frac{\alpha}{1-\alpha} \leq 1. وتحقق من أن هذا الاختيار للمقدار λ\lambda أمثلي، ووفّق بينه وبين السؤال 21: فالمعدل الأُسّي H(α)H(\alpha) للعبارة المقاربة يُبلَغ بمتراجحة من سطر واحد دون أي مقاربات البتة.

حل

حل المسألة 11.1.

1. مع x=t+tux = t + \sqrt t\,u (حيث  ⁣dx=t ⁣du\dd x = \sqrt t\,\dd u؛ ويجول xx في (0,)\intoo0\infty حين يجول uu في (t,)\intoo{-\sqrt t}\infty):

Γ(t+1)=0xtex ⁣dx=ttetttexp(tln(1+ut)tu) ⁣du,\Gamma(t{+}1) = \int_0^\infty x^t\eu^{-x}\dd x = t^t\eu^{-t}\sqrt t\int_{-\sqrt t}^{\infty} \exp\Bigl(t\ln\Bigl(1 + \frac u{\sqrt t}\Bigr) - \sqrt t\,u\Bigr)\dd u,

لأن xt=ttexp(tln(1+u/t))x^t = t^t\exp\bigl(t\ln(1 + u/\sqrt t)\bigr) و ex=etetu\eu^{-x} = \eu^{-t}\eu^{-\sqrt tu}.

2. من أجل uu مثبَّت وحين tt \to \infty: tln(1+u/t)tu=t(utu22t+o(1t))tu=u22+o(1)t\ln(1 + u/\sqrt t) - \sqrt tu = t\bigl(\frac u{\sqrt t} - \frac{u^2}{2t} + o(\frac1t)\bigr) - \sqrt tu = -\frac{u^2}2 + o(1): ومنه gt(u)eu2/2g_t(u) \to \eu^{-u^2/2}.

3. نضع ψ1(h)=φ(h)+h24\psi_1(h) = \varphi(h) + \frac{h^2}4 على (1,1]\intoc{-1}1: فيكون ψ1(0)=0\psi_1(0) = 0 و ψ1(h)=11+h1+h2=h(h1)2(1+h)\psi_1'(h) = \frac1{1+h} - 1 + \frac h2 = \frac{h(h-1)}{2(1+h)}، وهو 0\geq 0 على (1,0]\intoc{-1}0 و 0\leq 0 على [0,1]\intcc01: ومنه ψ10\psi_1 \leq 0، أي φ(h)h2/4\varphi(h) \leq -h^2/4 هناك. ونضع ψ2(h)=φ(h)+ch\psi_2(h) = \varphi(h) + ch على [1,)\intco1\infty، مع c=1ln2c = 1 - \ln2: فيكون ψ2(1)=ln21+c=0\psi_2(1) = \ln2 - 1 + c = 0 و ψ2(h)=ch1+hc12<0\psi_2'(h) = c - \frac h{1+h} \leq c - \frac12 < 0: ومنه φ(h)ch\varphi(h) \leq -ch من أجل h1h \geq 1. والآن من أجل t1t \geq 1: إذا كان ut\abs u \leq \sqrt t فإن gt(u)=etφ(u/t)et(u/t)2/4=eu2/4g_t(u) = \eu^{t\varphi(u/\sqrt t)} \leq \eu^{-t(u/\sqrt t)^2/4} = \eu^{-u^2/4}؛ وإذا كان utu \geq \sqrt t فإن tφ(u/t)ctut=ctucut\,\varphi(u/\sqrt t) \leq -ct\cdot\frac u{\sqrt t} = -c\sqrt t\,u \leq -cu (لأن t1t \geq 1)، ومنه gt(u)ecug_t(u) \leq \eu^{-cu}. ومنه gteu2/4+ecu1u>0g_t \leq \eu^{-u^2/4} + \eu^{-cu}\mathbf 1_{u>0}، وهو قابل للمكاملة ولا يتعلق بالوسيط t1t \geq 1.

4. بمبرهنة التقارب المهيمن: Rgt(u) ⁣duReu2/2 ⁣du=2π\int_\R g_t(u)\dd u \to \int_\R\eu^{-u^2/2}\dd u = \sqrt{2\pi} (المثال 11.12 مع التحجيم u2uu\mapsto\sqrt2\,u). ومع السؤال 1:

Γ(t+1)2πt  (te)t,n!2πn(ne)n.\Gamma(t + 1) \sim \sqrt{2\pi t}\;\Bigl(\frac t\eu\Bigr)^t,\qquad n! \sim \sqrt{2\pi n}\,\Bigl(\frac n\eu\Bigr)^n .

5. من التمرين 11.8، W2n=π2(2n)!4n(n!)2=π24n(2nn)W_{2n} = \frac\pi2\,\frac{(2n)!}{4^n(n!)^2} = \frac\pi2\,4^{-n}\binom{2n}n. وبستيرلنغ:

(2nn)=(2n)!(n!)24πn(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}} .

ومنه W2n12π/nW_{2n} \sim \frac12\sqrt{\pi/n}، وهو متسق مع العلاقة التراجعية Wn=n1nWn2W_n = \frac{n-1}nW_{n-2} (التي تفرض WnWn2W_n \sim W_{n-2}، وتعطي مع WnWn1n=π2W_nW_{n-1}\cdot n = \frac\pi2 — أي علاقة واليس الكلاسيكية — أن Wnπ/(2n)W_n \sim \sqrt{\pi/(2n)}؛ فالعبارتان المقاربتان متوافقتان).

6. Γ(d2+1)2πd2(d2e)d/2\Gamma(\frac d2 + 1) \sim \sqrt{2\pi\frac d2}\,(\frac d{2\eu})^{d/2}، ومنه

vd=πd/2Γ(d2+1)1πd(2πed)d/20v_d = \frac{\pi^{d/2}}{\Gamma(\frac d2 + 1)} \sim \frac{1}{\sqrt{\pi d}}\Bigl(\frac{2\pi\eu} d\Bigr)^{d/2} \longrightarrow 0

بسرعة تفوق الهندسية (إذ من أجل d>2πe17d > 2\pi\eu \approx 17، يكون كل عامل <1< 1 ومتناقصًا). وعدديًا v1=2v_1 = 2، v23.14v_2 \approx 3.14، v34.19v_3 \approx 4.19، v44.93v_4 \approx 4.93، v55.26v_5 \approx 5.26، v65.17v_6 \approx 5.17: فالقيمة العظمى عند d=5d = 5.

7. مع k=n2+sn2k = \frac n2 + \frac{s\sqrt n}2 (عددًا صحيحًا، حيث nn زوجي و ss مثبَّت): نأخذ اللوغاريتمات في 2n(nk)=2nn!k!(nk)!2^{-n}\binom nk = 2^{-n}\frac{n!}{k!(n-k)!} ونطبّق ستيرلنغ على المضروبات الثلاثة. وبكتابة k=n2(1+ε)k = \frac n2(1 + \varepsilon)، nk=n2(1ε)n - k = \frac n2(1 - \varepsilon) مع ε=s/n\varepsilon = s/\sqrt n:

ln(2n(nk))=n2[(1+ε)ln(1+ε)+(1ε)ln(1ε)]+12ln2πn(1ε2)+o(1),\ln\Bigl(2^{-n}\binom nk\Bigr) = -\frac n2\bigl[(1{+}\varepsilon)\ln(1{+}\varepsilon) + (1{-}\varepsilon)\ln(1{-}\varepsilon)\bigr] + \frac12\ln\frac{2}{\pi n(1 - \varepsilon^2)} + o(1),

ويكون المقدار بين القوسين ε2+O(ε4)=s2n+O(n2)\varepsilon^2 + O(\varepsilon^4) = \frac{s^2}n + O(n^{-2}): ومنه يؤول المقدار المعروض إلى s22+12ln2πn-\frac{s^2}2 + \frac12\ln\frac2{\pi n} إلى غاية o(1)o(1)، أي

2n(nk)2πn  es2/2:2^{-n}\binom nk \sim \sqrt{\frac{2}{\pi n}}\;\eu^{-s^2/2} :

وهو المقطع الغاوسي لرمي القطعة النقدية، مكمَّمًا — أي الصيغة المحلية لدي موافر–لابلاس، التي ستُعمَّم في الفصل 23.

8. (أ) تحوّل مبرهنة التقارب المهيمن النهايةَ النقطية من السؤال 2 إلى تقارب التكاملات، باستعمال مهيمِن السؤال 3. (ب) يقيّم التكامل الغاوسي النهاية eu2/2=2π\int\eu^{-u^2/2} = \sqrt{2\pi} — أي إن ثابت ستيرلنغ 2π\sqrt{2\pi} هو التكامل الغاوسي. (ج) التعويض x=t+tux = t + \sqrt tu تغييرُ متغيّرات أفيني: أي صمود قياس لوبيغ بالانسحاب وقاعدة تحجيمه (المبرهنة 11.10 في البُعد 11).

9. ننشر الحدّين معًا:

dndn+1=lnn!(n+1)!+(n+32)ln(n+1)(n+12)lnn1=(n+12)lnn+1n1,d_n - d_{n+1} = \ln\frac{n!}{(n+1)!} + \Bigl(n + \frac32\Bigr)\ln(n+1) - \Bigl(n + \frac12\Bigr)\ln n - 1 = \Bigl(n + \frac12\Bigr)\ln\frac{n+1}n - 1,

إذ يتركّب الحدّان ln(n+1)-\ln(n+1) و (n+32)ln(n+1)(n + \frac32)\ln(n+1) ليعطيا (n+12)ln(n+1)(n + \frac12)\ln(n+1).

10. من أجل t=12n+1t = \frac1{2n+1}: 1+t1t=2n+22n=n+1n\frac{1+t}{1-t} = \frac{2n+2}{2n} = \frac{n+1}n، و n+12=12tn + \frac12 = \frac1{2t}؛ وتعطي المتسلسلة الفردية ln1+t1t=2k0t2k+12k+1\ln\frac{1+t}{1-t} = 2\sum_{k\geq0}\frac{t^{2k+1}}{2k+1} أن

(n+12)lnn+1n=k0t2k2k+1=1+t23+t45+\Bigl(n + \frac12\Bigr)\ln\frac{n+1}n = \sum_{k\geq0}\frac{t^{2k}}{2k+1} = 1 + \frac{t^2}3 + \frac{t^4}5 + \cdots

ثم نطرح 11. وأما الحدّ الأدنى: فهو الحدّ الأول وحده، t23=13(2n+1)2\frac{t^2}3 = \frac1{3(2n+1)^2}. وأما الحدّ الأعلى: فنخفّض جميع المقامات إلى 33 ونجمع المتسلسلة الهندسية: t23(1t2)=13((2n+1)21)=112n(n+1)=112n112(n+1)\frac{t^2}{3(1 - t^2)} = \frac1{3((2n+1)^2 - 1)} = \frac1{12n(n+1)} = \frac1{12n} - \frac1{12(n+1)}.

11. بجمع الحدّ الأعلى من nn إلى \infty (مع dm0d_m \to 0): dn<112nd_n < \frac1{12n}. وأما من أجل الحدّ الأدنى: 112m+1112(m+1)+1=12(12m+1)(12m+13)\frac1{12m+1} - \frac1{12(m+1)+1} = \frac{12}{(12m+1)(12m+13)}، و

13(2m+1)2>12(12m+1)(12m+13)    (12m+1)(12m+13)>36(2m+1)2    168m+13>144m+36,\begin{align*} \frac1{3(2m+1)^2} > \frac{12}{(12m+1)(12m+13)} &\iff (12m+1)(12m+13) > 36(2m+1)^2 \\ &\iff 168m + 13 > 144m + 36, \end{align*}

وهو صحيح من أجل m1m \geq 1. وبجمع هذا المصغِّر المتلسكب: dn>112n+1d_n > \frac1{12n+1}. ويعطي أخذ الأُسّي الحصرَ الكلاسيكي للمقدار n!n!.

12. (a) الخطأ النسبي هو =edn1<e1/(12n)1<1.112n= \eu^{d_n} - 1 < \eu^{1/(12n)} - 1 < \frac{1.1}{12n} من أجل nn كبير؛ ويكون <106< 10^{-6} بمجرد أن يكون 12n1.110612n \geq 1.1\cdot10^6، ويكفي المقدار المذكور n83334n \geq 83\,334 (إذ يستلزمه أصلًا 112n106\frac1{12n} \leq 10^{-6}). (b) log10(100!)=12log10(200π)+200100log10e+d100log10e=1.39906+20043.42945+0.00036157.96997\log_{10}(100!) = \frac12\log_{10}(200\pi) + 200 - 100\log_{10}\eu + d_{100}\log_{10}\eu = 1.39906 + 200 - 43.42945 + 0.00036 \approx 157.96997، ومنه 100!100.9699710157=9.33310157100! \approx 10^{0.96997} \cdot 10^{157} = 9.333\cdot10^{157}؛ والنافذة المضمونة (e1/1201,e1/1200)(\eu^{1/1201}, \eu^{1/1200}) عرضها دون 10610^{-6} من حيث الخطأ النسبي — أي صيغة «مقاربة» تغدو، عند n=100n = 100، أداةَ دقة.

13. نكتب sinn=sinn2sinn2cos2\sin^n = \sin^{n-2} - \sin^{n-2}\cos^2، ونكامل الحدّ الثاني بالتجزئة (u=cosθu = \cos\theta،  ⁣dv=sinn2cosθ ⁣dθ\dd v = \sin^{n-2}\cos\theta\,\dd\theta، v=sinn1n1v = \frac{\sin^{n-1}}{n-1}):

0π/2sinn2cos2=[cosθsinn1θn1]0π/2+1n10π/2sinn=Wnn1.\int_0^{\pi/2}\sin^{n-2}\cos^2 = \Bigl[\cos\theta\,\frac{\sin^{n-1}\theta}{n-1}\Bigr]_0^{\pi/2} + \frac1{n-1}\int_0^{\pi/2}\sin^n = \frac{W_n}{n-1} .

ومنه Wn=Wn2Wnn1W_n = W_{n-2} - \frac{W_n}{n-1}، أي Wn=n1nWn2W_n = \frac{n-1}nW_{n-2}. ومن W0=π2W_0 = \frac\pi2 و W1=1W_1 = 1:

W2n=(2n1)!!(2n)!!π2=π2(2nn)4n,W2n+1=(2n)!!(2n+1)!!=4n(2n+1)(2nn),W_{2n} = \frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}\cdot\frac\pi2 = \frac\pi2\binom{2n}n4^{-n}, \qquad W_{2n+1} = \frac{(2n)!!}{(2n+1)!!} = \frac{4^n}{(2n+1)\binom{2n}n},

بتحويل المضروبات المزدوجة بالعلاقة (2n)!!=2nn!(2n)!! = 2^nn! و (2n1)!!=(2n)!2nn!(2n-1)!! = \frac{(2n)!}{2^nn!}. وأخيرًا nWnWn1=(n1)Wn1Wn2nW_nW_{n-1} = (n-1)W_{n-1}W_{n-2} بالعلاقة التراجعية: فهو ثابت، يساوي 1W1W0=π21\cdot W_1W_0 = \frac\pi2.

14. تعطي W2n+1W2nW2n1W_{2n+1} \leq W_{2n} \leq W_{2n-1} (برتابة sinn\sin^n نقطةً نقطة) و W2n1W2n+1=2n+12n1\frac{W_{2n-1}}{W_{2n+1}} = \frac{2n+1}{2n} \to 1 حصرَ المقدار W2nW2n+11\frac{W_{2n}}{W_{2n+1}} \to 1. وبضمّ ذلك إلى W2nW2n+1=π2(2n+1)W_{2n}W_{2n+1} = \frac{\pi}{2(2n+1)} (السؤال 13): W2n2π4nW_{2n}^2 \sim \frac\pi{4n}، ومنه W2n12πnW_{2n} \sim \frac12\sqrt{\frac\pi n} و (2nn)4n=2πW2n1πn\binom{2n}n4^{-n} = \frac2\pi W_{2n} \sim \frac1{\sqrt{\pi n}}.

15. لم يستعمل السؤالان 9 و10 قيمة الثابت البتة: فمع en=lnn!(n+12)lnn+ne_n = \ln n! - (n+\frac12)\ln n + n، تقع الفروق enen+1e_n - e_{n+1} في (0,112n112(n+1))\bigl(0, \frac1{12n} - \frac1{12(n+1)}\bigr)، ومنه تتناقص (en)(e_n) بينما تتزايد (en112n)(e_n - \frac1{12n}): فهما متتاليتان متجاورتان، تتقاربان إلى نهاية مشتركة \ell. ومنه n!Knn+1/2enn! \sim K n^{n+1/2}\eu^{-n}، حيث K=eK = \eu^\ell.

16. بإدخال ستيرلنغ ذي الثابت المجهول في المعامل الثنائي المركزي:

(2nn)4nnK(2n)2n+1/2e2n(Knn+1/2en)24nn=22n2Kn2n+1/2K2n2n+14nn=2K,\binom{2n}n4^{-n}\sqrt n \sim \frac{K\,(2n)^{2n+1/2}\eu^{-2n}}{\bigl(K\,n^{n+1/2} \eu^{-n}\bigr)^2}\,4^{-n}\sqrt n = \frac{2^{2n}\sqrt{2}\,K\,n^{2n+1/2}}{K^2\,n^{2n+1}} \,4^{-n}\sqrt n = \frac{\sqrt2}{K},

ويفرض السؤال 14 أن 2K=1π\frac{\sqrt2}K = \frac1{\sqrt\pi}: أي K=2πK = \sqrt{2\pi}. فيعيد الجزآن الثالث والرابع إذًا البرهانَ على ستيرلنغ من الصفر؛ وبإدخالها في متطابقة الجزء الأول يُقيَّم المقدار Reu2/2 ⁣du=2π\int_\R\eu^{-u^2/2}\dd u = \sqrt{2\pi} دون إحداثيات قطبية: فواليس وغاوس يسند كلٌّ منهما الآخر.

17. (2nn+j)(2nn)=(n!)2(n+j)!(nj)!=i=1jni+1n+i\frac{\binom{2n}{n+j}}{\binom{2n}n} = \frac{(n!)^2}{(n+j)!\,(n-j)!} = \prod_{i=1}^{j}\frac{n-i+1}{n+i} من أجل j0j \geq 0 (وبالتناظر من أجل j<0j < 0). وبأخذ اللوغاريتمات، مع 1ijKn1 \leq i \leq j \leq K\sqrt n:

lnni+1n+i=ln(1i1n)ln(1+in)=2i1n+O(i2n2),\ln\frac{n-i+1}{n+i} = \ln\Bigl(1 - \frac{i-1}n\Bigr) - \ln\Bigl(1 + \frac in\Bigr) = -\frac{2i-1}{n} + O\Bigl(\frac{i^2}{n^2}\Bigr),

و ij(2i1)=j2\sum_{i\leq j}(2i - 1) = j^2، بينما يبلغ مجموع الخطأ O(j3/n2)=O(n1/2)O(j^3/n^2) = O(n^{-1/2}): فبانتظام، exp(j2n+O(n1/2))\exp\bigl(-\frac{j^2}n + O(n^{-1/2})\bigr).

18. ennnn!ennn2πnnnen=12πn\eu^{-n}\frac{n^n}{n!} \sim \eu^{-n} \frac{n^n}{\sqrt{2\pi n}\,n^n\eu^{-n}} = \frac1{\sqrt{2\pi n}}. فلمتغيّر بواسوني متوسطه nn انحرافٌ معياري قدره n\sqrt n، ويكون المقدار 12πn\frac1{\sqrt{2\pi n}} بالضبط ارتفاع الذروة الغاوسية 1σ2π\frac1{\sigma\sqrt{2\pi}}: أي مبرهنة النهاية المركزية المحلية، مستبَقةً عند المنوال.

19. من أجل a(0,1)a \in \intoo01، تعطي مبرهنة الميل المساعدة من المسألة 10.1 (السؤال 14 هناك)، مطبَّقةً على الدالة المحدَّبة logΓ\log\Gamma حول nn، أن (n1)aΓ(n+a)Γ(n)na(n-1)^a \leq \frac{\Gamma(n+a)}{\Gamma(n)} \leq n^a: فتُحصَر النسبة إلى nan^a بالمقدار (11n)a1(1 - \frac1n)^a \to 1. ومن أجل a=m+aa = m + a' (حيث mNm \in \N و a[0,1)a' \in \intco01): Γ(n+a)=(n+a1)(n+a)Γ(n+a)\Gamma(n+a) = (n + a - 1) \cdots(n + a')\Gamma(n + a')، وكلٌّ من العوامل mm يساوي n(1+O(1n))n(1 + O(\frac1n)): فنضرب التقديرات بعضها ببعض.

20. تعطي العلاقة التراجعية vd=2πdvd2v_d = \frac{2\pi}dv_{d-2} (الناتجة عن Γ(d2+1)=d2Γ(d2)\Gamma(\frac d2 + 1) = \frac d2\Gamma(\frac d2))، انطلاقًا من v1=2v_1 = 2 و v2=πv_2 = \pi:

v3=4π3,v4=π22,v5=8π215,v6=π36,v7=16π3105.v_3 = \frac{4\pi}3,\quad v_4 = \frac{\pi^2}2,\quad v_5 = \frac{8\pi^2}{15},\quad v_6 = \frac{\pi^3}6,\quad v_7 = \frac{16\pi^3}{105}.

والنسبة 2πd\frac{2\pi}d تتجاوز 11 من أجل d6d \leq 6 بالضبط، ومنه تتزايد كل زوجية ثم تتناقص؛ وعدديًا v44.93v_4 \approx 4.93، v55.26v_5 \approx 5.26، v65.17v_6 \approx 5.17: فالقيمة العظمى الإجمالية عند d=5d = 5. وأما الدالة المولِّدة: فإن v2k=πkk!v_{2k} = \frac{\pi^k}{k!}، ومنه kv2kx2k=eπx2\sum_kv_{2k}x^{2k} = \eu^{\pi x^2} — أي جميع أحجام الكرات الواحدية ذات الأبعاد الزوجية محزومة في أُسّي واحد، مع تقدير فوري يفوق الهندسي لتناقص vdv_d.

21. بستيرلنغ في البسط والمقام، مع k=αnk = \alpha n:

(nαn)2πnnn2παn(αn)αn2π(1α)n((1α)n)(1α)n=enH(α)2πα(1α)n,\binom n{\alpha n} \sim \frac{\sqrt{2\pi n}\,n^n} {\sqrt{2\pi\alpha n}\,(\alpha n)^{\alpha n}\, \sqrt{2\pi(1-\alpha)n}\,((1-\alpha)n)^{(1-\alpha)n}} = \frac{\eu^{nH(\alpha)}}{\sqrt{2\pi\alpha(1-\alpha)n}},

لأن nn/(αn)αn((1α)n)(1α)n=ααn(1α)(1α)n=enH(α)n^n/(\alpha n)^{\alpha n}((1-\alpha)n)^{(1-\alpha)n} = \alpha^{-\alpha n}(1-\alpha)^{-(1-\alpha)n} = \eu^{nH(\alpha)} (إذ تتبسّط قوى nn: αn+(1α)n=n\alpha n + (1-\alpha)n = n)، وتتبسّط كذلك المقادير en\eu^{-n}. وعند α=12\alpha = \frac12: يكون H=ln2H = \ln2 ويكون المعامل 2/(πn)\sqrt{2/(\pi n)} — أي السؤال 5 من جديد. وتقعّر HH الأكيد (إذ مشتقها الثانية 1α(1α)<0-\frac1{\alpha(1-\alpha)} < 0) يضع قيمتها العظمى ln2\ln 2 عند α=12\alpha = \frac12 وحدها: فمن أجل α12\alpha \neq \frac12، يتناقص المقدار (nαn)2nen(ln2H(α))\binom n{\alpha n}2^{-n} \approx \eu^{-n(\ln2 - H(\alpha))} أُسّيًا — وهذا هو المحرّك التوافيقي وراء كل عبارة تركّز عن رميات القطعة النقدية.

22. من sd1=dvds_{d-1} = dv_d ومن السؤال 20:

s0=2,  s1=2π,  s2=4π,  s3=2π2,  s4=8π23,  s5=π3,  s6=16π315,s_0 = 2,\ \ s_1 = 2\pi,\ \ s_2 = 4\pi,\ \ s_3 = 2\pi^2,\ \ s_4 = \frac{8\pi^2}3,\ \ s_5 = \pi^3,\ \ s_6 = \frac{16\pi^3}{15},

وعدديًا 2, 6.28, 12.57, 19.74, 26.32, 31.01, 33.072,\ 6.28,\ 12.57,\ 19.74,\ 26.32,\ 31.01,\ 33.07؛ و s7=π4332.47<s6s_7 = \frac{\pi^4}3 \approx 32.47 < s_6: فالقيمة العظمى هي كرة البُعد 66. وتبيّن العلاقة التراجعية sd+1=(d+2)vd+2=(d+2)2πd+2vd=2πvd=2πdsd1s_{d+1} = (d+2)\,v_{d+2} = (d+2)\,\frac{2\pi}{d+2}\,v_d = 2\pi v_d = \frac{2\pi}d\,s_{d-1} الصعودَ ثم الهبوطَ الفائق الهندسية نفسه المحكوم بالنسبة 2πd\frac{2\pi}d كما في الأحجام: فبعد البُعد السابع، تتلاشى الكرات أسرع من أي متتالية هندسية.

23. يقول السؤال 11 بالضبط إن 112n+1<dn<112n\frac1{12n+1} < d_n < \frac1{12n}، و

112n112n+1=112n(12n+1)=O(1n2),\frac1{12n} - \frac1{12n+1} = \frac1{12n(12n+1)} = O\Bigl(\frac1{n^2}\Bigr),

ومنه dn=112n+O(1n2)d_n = \frac1{12n} + O(\frac1{n^2}) و edn=1+112n+O(1n2)\eu^{d_n} = 1 + \frac1{12n} + O(\frac1{n^2})؛ وبالضرب في 2πn(n/e)n\sqrt{2\pi n}(n/\eu)^n نحصل على الصيغة المصحَّحة. وعند n=10n = 10: 20π(10/e)10=7.92665×453999.33598696\sqrt{20\pi}\,(10/\eu)^{10} = 7.92665 \times 453999.3 \approx 3\,598\,696، أي أقلّ بمقدار 3010430\,104 (بخطأ نسبي 8.31038.3\cdot10^{-3})؛ وبالضرب في 1+11201 + \frac1{120} نجد 36286853\,628\,685، أي أقلّ بمقدار 115115 (بخطأ نسبي 3.21053.2\cdot10^{-5}). والحصر نفسه يحبس 10!10! بين 3598696e1/12136285593\,598\,696\,\eu^{1/121} \approx 3\,628\,559 و 3598696e1/12036288083\,598\,696\,\eu^{1/120} \approx 3\,628\,808 — فالحدّ الأعلى يخطئ بثماني وحدات في سبعة أرقام.

24. يعطي تعويض الجزء الأول x=t+tux = t + \sqrt t\,u، مطبَّقًا على التكامل المبتور،

0txtex ⁣dx=ttettt0gt(u) ⁣du,\int_0^{t} x^{t}\eu^{-x}\,\dd x = t^{t}\eu^{-t}\sqrt t\int_{-\sqrt t}^{0} g_t(u)\,\dd u ,

إذ يصير المجال 0xt0 \leq x \leq t هو tu0-\sqrt t \leq u \leq 0. ويغطّي مهيمِن السؤال 3 المقدارَ gt1u<0g_t\mathbf 1_{u < 0} أيضًا، ومنه يعطي التقارب المهيمن

t0gt(u) ⁣du0eu2/2 ⁣du=2π2,\int_{-\sqrt t}^{0}g_t(u)\,\dd u \longrightarrow \int_{-\infty}^{0}\eu^{-u^2/2}\dd u = \frac{\sqrt{2\pi}}2 ,

بينما يعطي السؤال 4 أن Γ(t+1)ttett2π\Gamma(t+1) \sim t^t\eu^{-t}\sqrt t\,\sqrt{2\pi}. فتؤول النسبة إلى 12\frac12. وأما احتماليًا: فمتغيّر عشوائي غامّي ذو شكل كبير يضع مقاربًا نصف كتلته على كل جانب من منواله — أي تناظر مبرهنة النهاية المركزية، مقروءًا من تعويض واحد.

25. ليكن λ=α1α(0,1]\lambda = \frac{\alpha}{1-\alpha} \in \intoc01. من أجل kαnαnk \leq \lfloor\alpha n\rfloor \leq \alpha n لدينا λkαn1\lambda^{k - \alpha n} \geq 1، ومنه

k=0αn(nk)λαnk=0n(nk)λk=(λα(1+λ))n,\sum_{k=0}^{\lfloor\alpha n\rfloor}\binom nk \leq \lambda^{-\alpha n}\sum_{k=0}^{n}\binom nk\lambda^{k} = \Bigl(\lambda^{-\alpha}(1 + \lambda)\Bigr)^{n},

ومع λ=α1α\lambda = \frac\alpha{1-\alpha}:

λα(1+λ)=αα(1α)α11α=αα(1α)(1α)=eH(α).\lambda^{-\alpha}(1+\lambda) = \alpha^{-\alpha}(1-\alpha)^{\alpha}\cdot\frac1{1-\alpha} = \alpha^{-\alpha}(1-\alpha)^{-(1-\alpha)} = \eu^{H(\alpha)} .

وأما الأمثلية: فبتصغير المقدار f(λ)=αlnλ+ln(1+λ)f(\lambda) = -\alpha\ln\lambda + \ln(1+\lambda) على λ>0\lambda > 0، يكون للمعادلة f(λ)=αλ+11+λ=0f'(\lambda) = -\frac\alpha\lambda + \frac1{1+\lambda} = 0 الحلُّ الوحيد λ=α1α\lambda = \frac\alpha{1-\alpha}، وهو أصغرية لأن f>0f'' > 0 — أي اختيار الميلان الأُسّي (تشرنوف). والتوفيق: يبيّن السؤال 21 أن الحدّ الواحد k=αnk = \lfloor\alpha n\rfloor هو أصلًا من رتبة enH(α)/2πα(1α)n\eu^{nH(\alpha)}/\sqrt{2\pi\alpha(1-\alpha)n}، ومنه

enH(α)Cnkαn(nk)enH(α):\frac{\eu^{nH(\alpha)}}{C\sqrt n} \leq \sum_{k\leq\alpha n}\binom nk \leq \eu^{nH(\alpha)} :

فالمعدل H(α)H(\alpha) مضبوط، ولا يكلّف المجموع كله أكثر من عامل n\sqrt n فوق أكبر حدوده. وبالقسمة على 2n2^n، يكون هذا حدَّ ذيل القطعة النقدية العادلة P(Snαn)en(ln2H(α))\P(S_n \leq \alpha n) \leq \eu^{-n(\ln2 - H(\alpha))} — أي تركّز القياس في سطر واحد.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (395) في المسرد