Mathematics · Libro 5 · Bachelor Year 3

Matemáticas universitarias — Grado 3

Matemáticas universitarias — Grado 3 · Bachelor Year 3

10La integral de Lebesgue

La integral de Riemann corta el dominio en intervalos pequeños; la de Lebesgue corta el recorrido: para integrar ff, se mide el conjunto {f>t}\{f > t\}. El cambio parece inocente y es revolucionario. Los límites y las integrales, eternamente enfrentados en la teoría de Riemann (¡se exigía convergencia uniforme!), quedan reconciliados por tres teoremas de convergencia — convergencia monótona, Fatou y convergencia dominada — cuyas hipótesis son casi vergonzosamente débiles. Este capítulo construye la integral sobre un espacio de medida arbitrario (X,A,μ)(X, \mathcal A, \mu), demuestra los tres teoremas, zanja la relación exacta con la integral de Riemann (una función acotada es integrable Riemann si y solo si es continua en casi todo punto) e industrializa la derivación de integrales dependientes de un parámetro — la técnica que el problema de fin de semana usa para calcular 0sinxx ⁣dx\int_0^\infty\frac{\sin x}x\,\dd x y Rex2 ⁣dx\int_\R \eu^{-x^2}\dd x.

10.1 Funciones medibles

Definición 10.1

Sean (X,A)(X, \mathcal A) y (Y,B)(Y, \mathcal B) espacios medibles. f ⁣:XYf \colon X \to Y es medible si f1(B)Af^{-1}(B) \in \mathcal A para todo BBB \in \mathcal B. Para funciones reales (o con valores en [,+][-\infty,+\infty]), Y=RY = \R lleva su σ\sigma-álgebra de Borel, y basta comprobar f1((t,+))={f>t}Af^{-1}(\intoo t{+\infty}) = \{f > t\} \in \mathcal A para todo tRt \in \R: los buenos conjuntos {B:f1(B)A}\{B : f^{-1}(B) \in \mathcal A\} forman una σ\sigma-álgebra (las preimágenes conmutan con las operaciones conjuntistas) que contiene las semirrectas generadoras (la Definición 9.2, Método 9.17).

Proposición 10.2

(a) Las composiciones de aplicaciones medibles son medibles; las aplicaciones continuas son medibles Borel. (b) Si f,g ⁣:XRf, g \colon X \to \R son medibles, también lo son f+gf + g, fgfg, max(f,g)\max(f,g), f\abs f, λf\lambda f. (c) Si (fn)(f_n) son medibles con valores en [,+][-\infty, +\infty], entonces supnfn\sup_nf_n, infnfn\inf_nf_n, lim supfn\limsup f_n, lim inffn\liminf f_n son medibles; y si fnff_n \to f puntualmente, ff es medible.

Demostración. (a) (gf)1(B)=f1(g1(B))(g\circ f)^{-1}(B) = f^{-1}(g^{-1}(B)); la continuidad da la medibilidad a través de los abiertos generadores (el Problema 9.1, pregunta 10, en forma general). (b) (f,g) ⁣:XR2(f, g) \colon X \to \R^2 es medible para la σ\sigma-álgebra de Borel de R2\R^2 — compruébese sobre las cajas abiertas, que generan (los abiertos de R2\R^2 son uniones numerables de cajas racionales): (f,g)1(U×V)=f1(U)g1(V)(f,g)^{-1}(U\times V) = f^{-1}(U)\cap g^{-1}(V) — y +,×,max+, \times, \max son continuas R2R\R^2 \to \R: compóngase. (c) {supfn>t}=n{fn>t}\{\sup f_n > t\} = \bigcup_n\{f_n > t\}; inf=sup()\inf = -\sup(-); lim sup=infNsupnN\limsup = \inf_N\sup_{n \geq N}; y un límite puntual es su propio lim sup\limsup.

Definición 10.3

Una función simple es una función medible con un número finito de valores: s=i=1nci1Ais = \sum_{i=1}^n c_i\,\mathbf 1_{A_i}, con AiAA_i \in \mathcal A disjuntos y ci0c_i \geq 0 (para la teoría no negativa). Su integral es

s ⁣dμ=iciμ(Ai)[0,+]\int s\,\dd\mu = \sum_i c_i\,\mu(A_i) \in [0, +\infty]

(con el convenio 0=00\cdot\infty = 0); el valor no depende de la representación (refínense dos particiones).

Teorema 10.4 (Aproximación por funciones simples)

Toda función medible f ⁣:X[0,+]f \colon X \to [0, +\infty] es límite puntual de una sucesión creciente de funciones simples:

sn=k=1n2nk12n1{k12nf<k2n}+n1{fn}f.s_n = \sum_{k=1}^{n2^n} \frac{k-1}{2^n}\, \mathbf 1_{\{\frac{k-1}{2^n} \leq f < \frac k{2^n}\}} + n\,\mathbf 1_{\{f \geq n\}} \nearrow f .

Demostración. Cada sns_n es simple (los conjuntos son preimágenes de conjuntos de Borel). Monotonía: al pasar de nn a n+1n+1, cada nivel diádico se parte en dos y el valor asignado nunca decrece (un punto con k12nf(x)<k2n\frac{k-1}{2^n} \leq f(x) < \frac k{2^n} recibe 2k22n+1\frac{2k-2}{2^{n+1}} o 2k12n+1\frac{2k-1}{2^{n+1}}, ambos k12n\geq \frac{k-1}{2^n}; y el tope nn también sube). Convergencia: si f(x)<f(x) < \infty, para n>f(x)n > f(x) se tiene f(x)sn(x)2nf(x) - s_n(x) \leq 2^{-n}; si f(x)=f(x) = \infty, sn(x)=ns_n(x) = n \to \infty.

10.2 La integral y los teoremas de convergencia

Definición 10.5

Para f0f \geq 0 medible:

f ⁣dμ=sup{s ⁣dμ:s simple, 0sf}[0,+].\int f \,\dd\mu = \sup\Bigl\{\int s\,\dd\mu : s \text{ simple}, \ 0 \leq s \leq f\Bigr\} \in [0, +\infty].

Es monótona en ff por construcción y extiende el caso simple (para ff simple, el supremo se alcanza en ff: compárense integrales de funciones simples mediante refinamientos comunes).

Teorema 10.6 (Convergencia monótona, Beppo Levi)

Si 0fnf0 \leq f_n \nearrow f puntualmente (con las medibles), entonces

fn ⁣dμf ⁣dμ.\int f_n\,\dd\mu \nearrow \int f\,\dd\mu .

Demostración. ff es medible (la Proposición 10.2(c)) y fn\int f_n crece hacia cierto LfL \leq \int f (monotonía). Recíprocamente, fíjense una s=ci1Aifs = \sum c_i\mathbf 1_{A_i} \leq f simple y θ(0,1)\theta \in (0,1); los conjuntos En={fnθs}E_n = \{f_n \geq \theta s\} son medibles y crecen hacia XX (donde s(x)>0s(x) > 0: f(x)s(x)>θs(x)f(x) \geq s(x) > \theta s(x), luego a la larga fn(x)θs(x)f_n(x) \geq \theta s(x); donde s(x)=0s(x) = 0: trivialmente). Entonces

fnEnθs ⁣dμ=θiciμ(AiEn)nθiciμ(Ai)=θs\int f_n \geq \int_{E_n}\theta s\,\dd\mu = \theta\sum_i c_i\,\mu(A_i \cap E_n) \xrightarrow[n\to\infty]{} \theta\sum_ic_i\,\mu(A_i) = \theta\int s

por continuidad por abajo (la Proposición 9.6(c)). Así, LθsL \geq \theta\int s para todo θ<1\theta < 1 y toda sfs \leq f simple: LfL \geq \int f.

Corolario 10.7

Para f,g0f, g \geq 0 medibles y c0c \geq 0: (f+g)=f+g\int(f + g) = \int f + \int g y cf=cf\int cf = c\int f; y para una serie de funciones medibles no negativas, nfn=nfn\int\sum_nf_n = \sum_n\int f_n.

Demostración. Para las funciones simples, la aditividad es un cálculo sobre un refinamiento común. En general, tómense snfs_n \nearrow f, tngt_n \nearrow g (el Teorema 10.4): sn+tnf+gs_n + t_n \nearrow f + g, y el teorema de la convergencia monótona pasa la aditividad al límite. El enunciado sobre series es ese teorema aplicado a las sumas parciales.

Teorema 10.8 (Lema de Fatou)

Para fn0f_n \geq 0 medibles:

lim infnfn ⁣dμ    lim infnfn ⁣dμ.\int \liminf_n f_n \,\dd\mu \;\leq\; \liminf_n \int f_n\,\dd\mu .

Demostración. Sea gN=infnNfng_N = \inf_{n\geq N}f_n: es medible, 0gNlim inffn0 \leq g_N \nearrow \liminf f_n, y gNfng_N \leq f_n para todo nNn \geq N, luego gNinfnNfn\int g_N \leq \inf_{n \geq N}\int f_n. Aplíquese la convergencia monótona al miembro izquierdo: lim inffn=limNgNlimNinfnNfn=lim inffn\int\liminf f_n = \lim_N\int g_N \leq \lim_N\inf_{n\geq N}\int f_n = \liminf\int f_n.

Definición 10.9

Una f ⁣:XRf \colon X \to \R medible (o C\C) es integrable si f ⁣dμ<\int\abs f\,\dd\mu < \infty; entonces f=f+f\int f = \int f^+ - \int f^- (partes positiva y negativa; partes real e imaginaria en el caso complejo). La integral es lineal sobre las funciones integrables (descompóngase y recombínense partes positivas; el caso complejo se reduce al real) y cumple ff\abs{\int f} \leq \int\abs f (caso real: ±f=(±f)f\pm\int f = \int(\pm f) \leq \int\abs f; caso complejo: multiplíquese por una constante unimodular para hacer real la integral). Una propiedad se cumple en casi todo punto (c.t.p.) si solo falla sobre un conjunto μ\mu-nulo; modificar ff sobre un conjunto nulo no cambia ninguna integral (la diferencia está dominada por 1N\infty\cdot\mathbf 1_N, de integral 00).

Teorema 10.10 (Convergencia dominada)

Sea fnff_n \to f en casi todo punto, con fng\abs{f_n} \leq g en casi todo punto para una gg integrable fija. Entonces ff es integrable y

fn ⁣dμf ⁣dμ,de hechofnf ⁣dμ0.\int f_n\,\dd\mu \longrightarrow \int f\,\dd\mu, \qquad\text{de hecho}\quad \int\abs{f_n - f}\,\dd\mu \to 0 .

Demostración. Descártese un conjunto nulo para que las hipótesis sean puntuales. fg\abs f \leq g: ff es integrable. Las funciones hn=2gfnf0h_n = 2g - \abs{f_n - f} \geq 0 cumplen lim infhn=2g\liminf h_n = 2g; Fatou da

2glim inf(2gfnf)=2glim supfnf,\int 2g \leq \liminf\int\bigl(2g - \abs{f_n - f}\bigr) = \int 2g - \limsup\int\abs{f_n - f},

luego lim supfnf0\limsup\int\abs{f_n - f} \leq 0 (la resta es lícita: 2g<\int 2g < \infty). Por último, fnffnf0\abs{\int f_n - \int f} \leq \int\abs{f_n - f} \to 0.

Método 10.11

Ante limnfn\lim_n\int f_n, pruébese, por este orden: (1) ¿es la sucesión monótona (o una serie de términos no negativos)? Convergencia monótona, sin necesidad de integrabilidad. (2) ¿Hay un único dominador integrable gfng \geq \abs{f_n}, hallado con cotas groseras («supn\sup_n» las estimaciones)? Convergencia dominada. (3) ¿Ni dominación ni monotonía? Fatou sigue acotando un lado, y la igualdad puede fallar de verdad: la joroba fugitiva fn=n1(0,1/n)f_n = n\mathbf 1_{\intoo0{1/n}} tiene fn=1\int f_n = 1 pero fn0f_n \to 0 en casi todo punto. La dominación es exactamente lo que impide a la masa escapar al infinito, vertical u horizontalmente.

10.3 Riemann frente a Lebesgue

Teorema 10.12 (Criterio de Lebesgue)

Sea f ⁣:[a,b]Rf \colon \intcc ab \to \R acotada. Entonces ff es integrable Riemann si y solo si ff es continua en λ\lambda-casi todo punto; y en tal caso ff es integrable Lebesgue y ambas integrales coinciden.

Demostración. Para una subdivisión σ=(a=x0<<xN=b)\sigma = (a = x_0 < \dots < x_N = b), sean LσL_\sigma y UσU_\sigma las funciones escalonadas iguales, en cada (xi1,xi)\intoo{x_{i-1}}{x_i}, a mi=inf[xi1,xi]fm_i = \inf_{[x_{i-1}, x_i]}f y a Mi=supM_i = \sup; las sumas de Darboux son sus integrales (Riemann y Lebesgue coinciden sobre las funciones escalonadas, y ambas dan miΔxi\sum m_i\Delta x_i). Tómese una sucesión de subdivisiones σn\sigma_n, cada una refinando la anterior, de paso 0\to 0, cuyas sumas de Darboux converjan a las integrales de Darboux inferior y superior de ff. Los refinamientos hacen LσnL_{\sigma_n} no decreciente y UσnU_{\sigma_n} no creciente puntualmente fuera del conjunto numerable DD de todos los puntos de división; llámense \ell y uu a los límites (medibles, la Proposición 10.2). Para xDx \notin D, escribiendo In(x)I_n(x) para el intervalo abierto de σn\sigma_n que contiene xx: (x)=supninfIn(x)f\ell(x) = \sup_n\inf_{I_n(x)}f y u(x)=infnsupIn(x)fu(x) = \inf_n\sup_{I_n(x)}f; y como los pasos tienden a 00, estas son las envolventes inferior y superior de ff en xxu(x)(x)u(x) - \ell(x) es la oscilación de ff en xx —, de modo que (x)=u(x)\ell(x) = u(x) si y solo si ff es continua en xx. Por convergencia monótona o dominada (acotada, intervalo finito):

[a,b] ⁣dλ=limnLσn=f,[a,b]u ⁣dλ=f.\int_{\intcc ab}\ell\,\dd\lambda = \lim_n\int L_{\sigma_n} = \underline{\int}f, \qquad \int_{\intcc ab}u\,\dd\lambda = \overline{\int}f .

ff integrable Riemann     \iff f=f\underline\int f = \overline\int f     \iff (u)=0\int(u - \ell) = 0     \iff u=u = \ell a.e. (u0u - \ell \geq 0; Ejercicio 10.5)     \iff ff continua en casi todo punto. En tal caso fu\ell \leq f \leq u con =u\ell = u en casi todo punto: ff coincide en casi todo punto con la \ell medible y, por tanto, es medible Lebesgue (completitud de λ\lambda) con f ⁣dλ= ⁣dλ=f=abf\int f\,\dd\lambda = \int\ell\,\dd\lambda = \underline\int f = \int_a^bf.

Ejemplo 10.13

1Q\mathbf 1_\Q no es continua en ningún punto: no es integrable Riemann — pero es trivial para Lebesgue: 1Q ⁣dλ=λ(Q)=0\int\mathbf 1_\Q\,\dd\lambda = \lambda(\Q) = 0. La función de Thomae ( 1q\frac1q en los racionales pq\frac pq, 00 en el resto) es continua exactamente en los irracionales: es integrable Riemann con integral 00. Y las integrales de Riemann impropias son una noción distinta: 0sinxx ⁣dx\int_0^\infty\frac{\sin x}x\,\dd x converge como límite de 0A\int_0^A (el problema de fin de semana la calcula: vale =π2= \frac\pi2), pero sinxxL1((0,+))\frac{\sin x}x \notin L^1(\intoo0{+\infty}): la integral absoluta diverge como la serie armónica (el Ejercicio 10.6). La teoría de Lebesgue cambia la convergencia condicional por teoremas de límite robustos.

10.4 Integrales con parámetros

En toda la sección, (X,A,μ)(X, \mathcal A, \mu) es un espacio de medida, TT un espacio métrico (el parámetro) y f ⁣:T×XCf \colon T \times X \to \C con f(t,)f(t, \cdot) integrable para cada tt; póngase F(t)=Xf(t,x) ⁣dμ(x)F(t) = \int_X f(t, x)\,\dd\mu(x).

Teorema 10.14 (Continuidad)

Supóngase que tf(t,x)t \mapsto f(t,x) es continua en t0t_0 para casi todo xx, y que existe una gg integrable con f(t,x)g(x)\abs{f(t,x)} \leq g(x) para todo tt de un entorno de t0t_0 y casi todo xx. Entonces FF es continua en t0t_0.

Demostración. Para toda sucesión tnt0t_n \to t_0: f(tn,)f(t0,)f(t_n, \cdot) \to f(t_0, \cdot) en casi todo punto, dominada por gg: la convergencia dominada da F(tn)F(t0)F(t_n) \to F(t_0); y en los espacios métricos basta la continuidad secuencial (Observación 6.8).

Teorema 10.15 (Derivación bajo el signo integral)

Sea TT un intervalo abierto de R\R. Supóngase que, para casi todo xx, tf(t,x)t \mapsto f(t,x) es derivable en TT, con

ft(t,x)g(x)para todos tT, en casi todo punto x,\Bigl|\frac{\partial f}{\partial t}(t, x)\Bigr| \leq g(x) \quad \text{para todos } t \in T,\ \text{en casi todo punto } x,

gg integrable. Entonces FF es derivable en TT con F(t)=Xft(t,x) ⁣dμ(x)F'(t) = \int_X \frac{\partial f}{\partial t}(t, x)\,\dd\mu(x).

Demostración. Fíjense tt y hn0h_n \to 0: los cocientes incrementales

φn(x)=f(t+hn,x)f(t,x)hnft(t,x)en casi todo punto,\varphi_n(x) = \frac{f(t + h_n, x) - f(t, x)}{h_n} \longrightarrow \frac{\partial f}{\partial t}(t,x) \quad\text{en casi todo punto},

y la desigualdad del valor medio acota φn(x)supstf(s,x)g(x)\abs{\varphi_n(x)} \leq \sup_{s}\abs{\partial_tf(s,x)} \leq g(x): se aplica la convergencia dominada, y F(t+hn)F(t)hn=φntf(t,)\frac{F(t + h_n) - F(t)}{h_n} = \int\varphi_n \to \int\partial_t f(t, \cdot).

Ejemplo 10.16 (La función Gamma)

Para t>0t > 0, póngase

Γ(t)=0+xt1ex ⁣dx.\Gamma(t) = \int_0^{+\infty} x^{t-1}\eu^{-x}\,\dd x .

La integral converge: cerca de 00, xt1x^{t-1} es integrable (t>0t > 0); y en el infinito, xt1exCex/2x^{t-1}\eu^{-x} \leq C\eu^{-x/2}. La integración por partes (en [ε,A][\varepsilon, A] y después el límite por convergencia monótona) da la ecuación funcional Γ(t+1)=tΓ(t)\Gamma(t + 1) = t\,\Gamma(t), de donde Γ(n+1)=n!\Gamma(n+1) = n!: el factorial interpolado. En todo [a,b](0,+)\intcc ab \subseteq \intoo0{+\infty}, t(xt1ex)=lnxxt1ex\partial_t\bigl(x^{t-1}\eu^{-x}\bigr) = \ln x\cdot x^{t-1}\eu^{-x} está dominada por lnx(xa1+xb1)ex\abs{\ln x}(x^{a-1} + x^{b-1})\eu^{-x}, que es integrable: Γ\Gamma es C1\mathcal C^1 y, por inducción, C\mathcal C^\infty, con Γ(k)(t)=0(lnx)kxt1ex ⁣dx\Gamma^{(k)}(t) = \int_0^\infty(\ln x)^kx^{t-1}\eu^{-x}\dd x. El valor Γ(12)=π\Gamma(\frac12) = \sqrt\pi es la integral gaussiana disfrazada (el Problema 10.1).

El integrando xx: la integral impropia ∈t_0∈fty converge por cancelación alternada entre los arcos, pero las áreas | | de los arcos se comportan como 2π k — una serie armónica: xx ∉ L1. La integrabilidad de Lebesgue es integrabilidad absoluta.
El integrando sinxx\frac{\sin x}x: la integral impropia 0\int_0^\infty converge por cancelación alternada entre los arcos, pero las áreas \abs{\cdot} de los arcos se comportan como 2πk\frac2{\pi k} — una serie armónica: sinxxL1\frac{\sin x}x \notin L^1. La integrabilidad de Lebesgue es integrabilidad absoluta.

10.5 Ejercicios

Ejercicio 10.1

(a) Demostrar que una función monótona RR\R \to \R es medible Borel, y que una derivada (de una función derivable en todo punto) es medible Borel. (b) Demostrar que f ⁣:XRf \colon X \to \R es medible si y solo si {f>q}A\{f > q\} \in \mathcal A para todo qq racional.

Solución

Solución de Ejercicio 10.1.

(a) Si ff es no decreciente, {f>t}\{f > t\} es \varnothing, R\R o una semirrecta (a,+)\intoo a{+\infty} / [a,+)\intco a{+\infty}: de Borel en todos los casos; el caso no creciente, análogo. Una derivada: f(x)=limnn(f(x+1n)f(x))f'(x) = \lim_n n\bigl(f(x + \frac1n) - f(x)\bigr) es límite puntual de funciones continuas (y por tanto medibles): Proposición 10.2(c).

(b) {f>t}=qQ,q>t{f>q}\{f > t\} = \bigcup_{q \in \Q,\, q > t}\{f > q\}: si los niveles racionales son medibles, lo son todos, y las semirrectas generan B(R)\mathcal B(\R).

Ejercicio 10.2

Calcular, con justificación completa:

limn0+cosx(1+x/n)n ⁣dx,limn01nxn11+x ⁣dx.\lim_{n\to\infty}\int_0^{+\infty} \frac{\cos x}{(1 + x/n)^{n}}\,\dd x, \qquad \lim_{n\to\infty}\int_0^1 \frac{n\,x^{n-1}}{1 + x}\,\dd x .

(Para la segunda: sustitúyase u=xnu = x^n antes de dominar.)

Solución

Solución de Ejercicio 10.2.

Primera: (1+x/n)nex(1 + x/n)^n \nearrow \eu^x para x0x \geq 0, de modo que el integrando tiende puntualmente a excosx\eu^{-x}\cos x; y para n2n \geq 2, (1+x/n)n(1+x/2)2(1 + x/n)^n \geq (1 + x/2)^2, lo que da el dominador integrable (1+x/2)2(1 + x/2)^{-2}. Convergencia dominada:

limn0cosx(1+x/n)n ⁣dx=0excosx ⁣dx=Re0e(1i)x ⁣dx=Re11i=12.\lim_n\int_0^\infty\frac{\cos x}{(1 + x/n)^n}\dd x = \int_0^\infty \eu^{-x}\cos x\,\dd x = \operatorname{Re}\int_0^\infty\eu^{-(1 - \iu)x}\dd x = \operatorname{Re}\frac{1}{1 - \iu} = \frac12 .

Segunda: sustitúyase u=xnu = x^n (una biyección C1\mathcal C^1 de (0,1)\intoo01):

01nxn11+x ⁣dx=01 ⁣du1+u1/n01 ⁣du2=12,\int_0^1\frac{nx^{n-1}}{1 + x}\dd x = \int_0^1\frac{\dd u}{1 + u^{1/n}} \longrightarrow \int_0^1\frac{\dd u}{2} = \frac12,

por convergencia dominada: para u(0,1)u \in \intoo01, u1/n1u^{1/n} \to 1, y el integrando está acotado por 11 sobre un espacio de medida finita.

Ejercicio 10.3 ★★

(a) Exhibir una desigualdad estricta en el lema de Fatou. (b) Exhibir fn0f_n \to 0 puntualmente con fn=1\int f_n = 1 de tres maneras: escape en altura, en anchura y al infinito. ¿Qué única hipótesis de la convergencia dominada viola cada una? (c) Demostrar que en el lema de Fatou no se puede sustituir lim inf\liminf por lim sup\limsup en ninguno de los dos miembros.

Solución

Solución de Ejercicio 10.3.

(a) fn=n1(0,1/n)f_n = n\,\mathbf 1_{\intoo0{1/n}}: lim inffn=0\liminf f_n = 0 puntualmente, fn=1\int f_n = 1: 0<10 < 1.

(b) Altura: n1(0,1/n)n\mathbf 1_{\intoo0{1/n}}; anchura: 1n1(0,n)\frac1n\mathbf 1_{\intoo0n}; traslación: 1(n,n+1)\mathbf 1_{\intoo n{n+1}}. Todas tienden a 00 puntualmente con =1\int = 1. En cada caso falla la hipótesis de dominación: supnfn\sup_nf_n es 1/x\approx 1/x cerca de 00, \approx es un perfil constante no integrable, 1(1,)\mathbf 1_{\intoo1\infty} es del mismo tipo — nunca integrable.

(c) «lim supfnlim supfn\int\limsup f_n \geq \limsup\int f_n» falla para la joroba que se traslada: miembro izquierdo 00, miembro derecho 11. «lim suplim sup\limsup\int \leq \int\limsup» es el mismo enunciado. Y el lema de Fatou para lim sup\limsup con \leq invertido («Fatou al revés») exige un dominador — la misma joroba es el contraejemplo.

Ejercicio 10.4 ★★

(a) Demostrar que 0+xex1 ⁣dx=n11n2=π26\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{x}{\eu^x - 1}\,\dd x = \sum_{n\geq1}\frac1{n^2} = \frac{\pi^2}6 (desarróllese 1ex1\frac1{\eu^x - 1} en serie geométrica e intégrese término a término — ¿qué teorema lo permite?). (b) (El sueño del estudiante de segundo) Demostrar 01xx ⁣dx=n1nn\displaystyle\int_0^1 x^{-x}\,\dd x = \sum_{n\geq1}n^{-n}. (Escríbase xx=exlnx=k(xlnx)kk!x^{-x} = \eu^{-x\ln x} = \sum_k\frac{(-x\ln x)^k}{k!} y calcúlese 01(xlnx)k ⁣dx\int_0^1(-x\ln x)^k\dd x sustituyendo x=eu/(k+1)x = \eu^{-u/(k+1)} y reconociendo Γ\Gamma.)

Solución

Solución de Ejercicio 10.4.

(a) Para x>0x > 0: 1ex1=ex1ex=n1enx\frac1{\eu^x - 1} = \frac{\eu^{-x}}{1 - \eu^{-x}} = \sum_{n\geq1}\eu^{-nx}, luego xex1=n1xenx\frac{x}{\eu^x - 1} = \sum_{n\geq1}x\eu^{-nx}, una serie de funciones medibles no negativas: el Corolario 10.7 permite integrar término a término:

0x ⁣dxex1=n10xenx ⁣dx=n11n2=π26\int_0^\infty\frac{x\,\dd x}{\eu^x - 1} = \sum_{n\geq1}\int_0^\infty x\eu^{-nx}\dd x = \sum_{n\geq1}\frac1{n^2} = \frac{\pi^2}6

(0xenx ⁣dx=n2\int_0^\infty x\eu^{-nx}\dd x = n^{-2} por partes; Basilea, del volumen de segundo año, o el Ejercicio 13.5 que viene).

(b) Sobre (0,1)\intoo01, xlnx0-x\ln x \geq 0, de modo que xx=exlnx=k(xlnx)kk!x^{-x} = \eu^{-x\ln x} = \sum_k\frac{(-x\ln x)^k}{k!} es una serie de términos no negativos: intercámbiese de nuevo. Sustituyendo x=eu/(k+1)x = \eu^{-u/(k+1)}:

01(xlnx)k ⁣dx=0(uk+1)kekuk+1  euk+1k+1 ⁣du=1(k+1)k+10ukeu ⁣du=k!(k+1)k+1.\int_0^1(-x\ln x)^k\dd x = \int_0^\infty\Bigl(\frac{u}{k+1}\Bigr)^{k} \eu^{-\frac{ku}{k+1}}\;\frac{\eu^{-\frac u{k+1}}}{k+1}\,\dd u = \frac{1}{(k+1)^{k+1}}\int_0^\infty u^k\eu^{-u}\dd u = \frac{k!}{(k+1)^{k+1}} .

Por tanto, 01xx ⁣dx=k01(k+1)k+1=n1nn\int_0^1x^{-x}\dd x = \sum_{k\geq0}\frac{1}{(k+1)^{k+1}} = \sum_{n\geq1}n^{-n}: el sueño del estudiante de segundo, con todo rigor.

Ejercicio 10.5 ★★

(a) Demostrar que f0f \geq 0 medible con f ⁣dμ=0\int f\,\dd\mu = 0 cumple f=0f = 0 en casi todo punto. (Considérese {f1/n}\{f \geq 1/n\} y la desigualdad de Markov: μ({fa})1af\mu(\{f \geq a\}) \leq \frac1a\int f — demuéstrese.) (b) Demostrar que una ff integrable es finita en casi todo punto. (c) Demostrar que si Af ⁣dμ=0\int_A f\,\dd\mu = 0 para todo AA medible, entonces f=0f = 0 en casi todo punto.

Solución

Solución de Ejercicio 10.5.

(a) Markov: a1{fa}fa\,\mathbf 1_{\{f \geq a\}} \leq f, intégrese: μ({fa})1af\mu(\{f \geq a\}) \leq \frac1a\int f. Si f=0\int f = 0: μ({f1n})=0\mu(\{f \geq \frac1n\}) = 0 para todo nn, y {f>0}=n{f1n}\{f > 0\} = \bigcup_n\{f \geq \frac1n\} es nulo.

(b) μ({f=})μ({fn})1nf0\mu(\{\abs f = \infty\}) \leq \mu(\{\abs f \geq n\}) \leq \frac1n\int\abs f \to 0.

(c) Tómese A={f>0}A = \{f > 0\}: f+ ⁣dμ=Af ⁣dμ=0\int f^+\dd\mu = \int_Af\,\dd\mu = 0, luego f+=0f^+ = 0 en casi todo punto por (a); análogamente f=0f^- = 0 en casi todo punto.

Ejercicio 10.6 ★★

(a) Aplíquese el Teorema 10.12 para decidir la integrabilidad Riemann de: 1Q\mathbf 1_\Q; la función de Thomae; 1K\mathbf 1_K para KK un conjunto de Cantor gordo (el Ejercicio 9.5). (b) Demostrar que 1+sinxx ⁣dx=+\int_1^{+\infty}\abs{\frac{\sin x}x}\,\dd x = +\infty, mientras que limA1Asinxx ⁣dx\lim_{A\to\infty}\int_1^A\frac{\sin x}x\,\dd x existe (intégrese por partes): convergencia impropia sin integrabilidad.

Solución

Solución de Ejercicio 10.6.

(a) 1Q\mathbf 1_\Q: discontinua en todo punto, no integrable Riemann (el Teorema 10.12); su integral de Lebesgue vale λ(Q)=0\lambda(\Q) = 0. Thomae: es continua en todo irracional (dado ε\varepsilon, solo un número finito de racionales de [0,1]\intcc01 tienen denominador 1/ε\leq 1/\varepsilon; evítense con un pequeño entorno) y discontinua en los racionales (densidad de los irracionales): es continua en casi todo punto, integrable Riemann, de integral 00 (se anula en casi todo punto). 1K\mathbf 1_K, con KK un conjunto de Cantor gordo: el conjunto de discontinuidad es K=K\partial K = K (cerrado de interior vacío), de medida 12>0\frac12 > 0: no es integrable Riemann — y sí es integrable Lebesgue, con integral λ(K)=12\lambda(K) = \frac12.

(b) kπ(k+1)πsinxx ⁣dx1(k+1)πkπ(k+1)πsinx ⁣dx=2(k+1)π\int_{k\pi}^{(k+1)\pi}\frac{\abs{\sin x}}x\dd x \geq \frac1{(k+1)\pi}\int_{k\pi}^{(k+1)\pi}\abs{\sin x}\dd x = \frac{2}{(k+1)\pi}: la serie diverge. Convergencia de la integral impropia: para A>πA > \pi,

πAsinxx ⁣dx=[cosxx]πAπAcosxx2 ⁣dx,\int_\pi^A\frac{\sin x}x\dd x = \Bigl[\frac{-\cos x}x\Bigr]_\pi^A - \int_\pi^A\frac{\cos x}{x^2}\dd x,

y ambos términos convergen cuando AA \to \infty (1x2\frac1{x^2} es integrable): convergencia condicional sin integrabilidad absoluta.

Ejercicio 10.7 ★★

Justificar que F(t)=0+ex2cos(tx) ⁣dxF(t) = \int_0^{+\infty}\eu^{-x^2}\cos(tx)\,\dd x es C1\mathcal C^1 en R\R y cumple F(t)=t2F(t)F'(t) = -\frac t2F(t) (intégrese por partes); deducir F(t)=F(0)et2/4F(t) = F(0)\,\eu^{-t^2/4}. (Con F(0)=π2F(0) = \frac{\sqrt\pi}2 del problema de fin de semana: la gaussiana es esencialmente su propia transformada de Fourier — el Capítulo 14 sistematizará esto.)

Solución

Solución de Ejercicio 10.7.

Dominación: t(ex2cos(tx))=xex2sin(tx)xex2\abs{\partial_t(\eu^{-x^2}\cos(tx))} = \abs{x\eu^{-x^2}\sin(tx)} \leq x\eu^{-x^2}, integrable e independiente de tt: el Teorema 10.15 se aplica globalmente,

F(t)=0xex2sin(tx) ⁣dx=[12ex2sin(tx)]0t20ex2cos(tx) ⁣dx=t2F(t)F'(t) = -\int_0^\infty x\eu^{-x^2}\sin(tx)\,\dd x = \Bigl[\tfrac12\eu^{-x^2}\sin(tx)\Bigr]_0^\infty - \frac t2\int_0^\infty\eu^{-x^2}\cos(tx)\dd x = -\frac t2F(t)

(integración por partes con  ⁣dv=xex2 ⁣dx\dd v = x\eu^{-x^2}\dd x). La ecuación diferencial lineal da F(t)=F(0)et2/4F(t) = F(0)\eu^{-t^2/4}; y con F(0)=π2F(0) = \frac{\sqrt\pi}2 (el Problema 10.1), la gaussiana se reproduce a sí misma bajo esta transformada del coseno.

Ejercicio 10.8 ★★★

(Frullani) Sean 0<a<b0 < a < b. Demostrar

0+eaxebxx ⁣dx=lnba,\int_0^{+\infty}\frac{\eu^{-ax} - \eu^{-bx}}{x}\,\dd x = \ln\frac ba,

escribiendo el integrando como abext ⁣dt\int_a^b \eu^{-xt}\,\dd t y justificando el intercambio mediante la teoría no negativa (el Corolario 10.7 en forma continua — anticípese Tonelli, o córtese [a,b][a,b] en nn partes iguales y pásese al límite).

Solución

Solución de Ejercicio 10.8.

La integral converge: cerca de 00 el integrando tiende a bab - a (acotado) y decae como eax\eu^{-ax} en el infinito. Fíjese aa y véase I(b)=0eaxebxx ⁣dxI(b) = \int_0^\infty\frac{\eu^{-ax} - \eu^{-bx}}x\dd x como función de b[a,+)b \in \intco a{+\infty}. Para todo bab \geq a: b(integrando)=ebxeax\abs{\partial_b(\text{integrando})} = \eu^{-bx} \leq \eu^{-ax}, y 0eax ⁣dx=1a<\int_0^\infty\eu^{-ax}\dd x = \frac1a < \infty: un dominador integrable. Así, el Teorema 10.15 da I(b)=0ebx ⁣dx=1bI'(b) = \int_0^\infty\eu^{-bx}\dd x = \frac1b y I(a)=0I(a) = 0:

I(b)=ab ⁣dtt=lnba.I(b) = \int_a^b\frac{\dd t}t = \ln\frac ba .

(Equivalentemente, la vía de la indicación: el integrando es abext ⁣dt0\int_a^b\eu^{-xt}\dd t \geq 0 y el intercambio es el análogo continuo del Corolario 10.7, es decir, Tonelli — demostrado en el Capítulo 11; la vía del parámetro se mantiene dentro de este capítulo.)

Ejercicio 10.9 ★★

Sea f0f \geq 0 medible sobre (X,A,μ)(X, \mathcal A, \mu). Demostrar que ν(A)=Af ⁣dμ\nu(A) = \int_A f\,\dd\mu define una medida (de densidad ff respecto de μ\mu), y que g ⁣dν=gf ⁣dμ\int g\,\dd\nu = \int gf\,\dd\mu para toda g0g \geq 0 medible (demuéstrese para indicadores, después para funciones simples y después por convergencia monótona — la máquina estándar).

Solución

Solución de Ejercicio 10.9.

ν()=0\nu(\varnothing) = 0; para (An)(A_n) disjuntos, f1An=nf1Anf\mathbf 1_{\bigsqcup A_n} = \sum_nf\mathbf 1_{A_n} (puntualmente, con todos los términos 0\geq 0), y el Corolario 10.7 da la σ\sigma-aditividad. La fórmula g ⁣dν=gf ⁣dμ\int g\,\dd\nu = \int gf\,\dd\mu: para g=1Ag = \mathbf 1_A es la definición de ν\nu; para gg simple, linealidad; y para g0g \geq 0 medible, tómense sngs_n \nearrow g simples (el Teorema 10.4): snfgfs_nf \nearrow gf, y la convergencia monótona en ambos miembros pasa al límite. (Este ascensor «indicadores \to simples \to convergencia monótona» es la máquina estándar de la teoría.)

Ejercicio 10.10 ★★★

(Un fallo al estilo de Weierstrass) Defínase f(t)=0+sin(tx)x(1+x2) ⁣dxf(t) = \int_0^{+\infty}\frac{\sin(tx)}{x(1 + x^2)}\,\dd x. (a) Demostrar que ff está bien definida y es continua en R\R, y que C1\mathcal C^1 con f(t)=0cos(tx)1+x2 ⁣dxf'(t) = \int_0^\infty\frac{\cos(tx)}{1 + x^2}\dd x para todo tt — pero que derivar otra vez bajo el signo integral es ilegítimo. (b) Admitiendo que f(t)=π2etf'(t) = \frac\pi2\eu^{-t} para t>0t > 0 (se demuestra en el Capítulo 17), ¿cuánto vale 0xsin(tx)1+x2 ⁣dx\int_0^\infty\frac{x\sin(tx)}{1+x^2}\dd x para t>0t > 0, y por qué su fórmula confirma el fallo de (a)?

Solución

Solución de Ejercicio 10.10.

(a) sin(tx)tx\abs{\sin(tx)} \leq \abs tx da sin(tx)x(1+x2)t1+x2\abs{\frac{\sin(tx)}{x(1+x^2)}} \leq \frac{\abs t}{1+x^2}: la integral converge y, sobre tT\abs t \leq T, el dominador T1+x2\frac{T}{1+x^2} da la continuidad (el Teorema 10.14). Derivación: t=cos(tx)1+x211+x2\abs{\partial_t} = \abs{\frac{\cos(tx)}{1+x^2}} \leq \frac1{1+x^2}, integrable: f(t)=0cos(tx)1+x2 ⁣dxf'(t) = \int_0^\infty\frac{\cos(tx)}{1+x^2}\dd x para todo tt. Una segunda derivación exigiría integrar xsin(tx)1+x2\frac{x\sin(tx)}{1 + x^2}, cuyo valor absoluto se comporta como sin(tx)x\frac{\abs{\sin(tx)}} x en el infinito: no es integrable — no existe dominador y el Teorema 10.15 no puede aplicarse de nuevo.

(b) Admitiendo f(t)=π2etf'(t) = \frac\pi2\eu^{-t} para t>0t > 0: por ser ff impar, ff' es par, luego f(t)=π2etf'(t) = \frac\pi2\eu^{-\abs t} — que no es derivable en 00: ff es C1\mathcal C^1 pero no C2\mathcal C^2, lo que confirma que la segunda derivación bloqueada no era un accidente técnico. Para t>0t > 0, la integral impropia 0xsin(tx)1+x2 ⁣dx\int_0^\infty\frac{x\sin(tx)}{1+x^2}\dd x vale f(t)=π2et-f''(t) = \frac\pi2\eu^{-t} (derivando la fórmula admitida allí donde es lícito, es decir, en (0,)\intoo0\infty) — un valor impropio, no de Lebesgue.

Ejercicio 10.11 ★★

(Lema de Scheffé) Sean fn,f0f_n, f \geq 0 integrables con fnff_n \to f en casi todo punto y fnf\int f_n \to \int f. (a) Demostrar que fnf0\int\abs{f_n - f} \to 0. (Aplíquese la convergencia dominada a gn=(ffn)+fg_n = (f - f_n)^+ \leq f y escríbase fnf=2gn(ffn)\int\abs{f_n - f} = 2\int g_n - \int(f - f_n).) (b) Demostrar con un ejemplo que la hipótesis fnf\int f_n \to \int f no puede suprimirse (una joroba que se desliza o que se concentra), y que la conclusión falla para fnf_n con signo sin control en valor absoluto: fn=n1(0,1/n]n1(1/n,0]f_n = n\mathbf 1_{\intoc0{1/n}} - n\mathbf 1_{\intoc{-1/n}0} cumple fn0f_n \to 0 en casi todo punto y fn=00\int f_n = 0 \to 0, y sin embargo fn=2\int\abs{f_n} = 2. (c) Aplicación (densidades): si densidades de probabilidad cumplen pnpp_n \to p en casi todo punto, entonces automáticamente pnp0\int\abs{p_n - p} \to 0: la convergencia puntual de las densidades es convergencia L1L^1 — una mejora de convergencia gratis.

Solución

Solución de Ejercicio 10.11.

(a) Sea gn=(ffn)+g_n = (f - f_n)^+: entonces 0gnf0 \leq g_n \leq f (positividad de fnf_n), gn0g_n \to 0 en casi todo punto, y ff es un dominador integrable: gn0\int g_n \to 0 (convergencia dominada). Como fnf=2(ffn)+(ffn)\abs{f_n - f} = 2(f - f_n)^+ - (f - f_n),

fnf=2gn(ffn)0+0.\int\abs{f_n - f} = 2\int g_n - \Bigl(\int f - \int f_n\Bigr) \longrightarrow 0 + 0 .

(b) La joroba deslizante fn=1[n,n+1]f_n = \mathbf 1_{\intcc n{n+1}} cumple fn0f_n \to 0 en casi todo punto y fn=1↛0\int f_n = 1 \not\to 0: sin la convergencia de las integrales, la convergencia L1L^1 falla (y también falla la hipótesis). El ejemplo con signo: fn0f_n \to 0 en todo x0x \neq 0, fn=0\int f_n = 0, pero fn=2\int\abs{f_n} = 2: para sucesiones con signo, el teorema trata realmente de un control de tipo fn\abs{f_n}, y la positividad se usó exactamente en gnfg_n \leq f.

(c) Las densidades cumplen pn=1=p\int p_n = 1 = \int p: la hipótesis de (a) es automática, de modo que pnpp_n \to p en casi todo punto obliga a pnpL10\norm{p_n - p}_{L^1} \to 0 — y, por tanto, a la convergencia de las probabilidades ApnAp\int_Ap_n \to \int_Ap uniformemente sobre todos los AA medibles (A(pnp)pnp1\abs{\int_A(p_n - p)} \leq \norm{p_n - p}_1): Scheffé convierte la convergencia puntual de densidades en convergencia en variación total de las leyes.

Ejercicio 10.12 ★★

Límites clásicos, con justificación completa mediante convergencia monótona o dominada:

(a) limn0n(1xn)nex/2 ⁣dx,(b) limn01nxn11+x ⁣dx,\text{(a)}\ \lim_{n\to\infty}\int_0^n\Bigl(1 - \frac xn\Bigr)^n\eu^{x/2}\,\dd x, \qquad \text{(b)}\ \lim_{n\to\infty}\int_0^1\frac{n\,x^{n-1}}{1 + x}\,\dd x,
(c) limn0 ⁣dx(1+x/n)nx1/n.\text{(c)}\ \lim_{n\to\infty}\int_0^\infty \frac{\dd x}{(1 + x/n)^n\,x^{1/n}} .

(Para (a): (1x/n)nex(1 - x/n)^n \nearrow \eu^{-x} para xx fijo — demuéstrese la monotonía mediante log\log; para (b), intégrese por partes o sustitúyase x=u1/nx = u^{1/n} e identifíquese una concentración en el borde; para (c), búsquese un dominador integrable válido para todo n2n \geq 2 partiendo en x=1x = 1.)

Solución

Solución de Ejercicio 10.12.

(a) Sobre (0,n)\intoo0n, φn(x)=nlog(1xn)\varphi_n(x) = n\log(1 - \frac xn) crece con nn hacia x-x (la aplicación tlog(1xt)tt \mapsto \frac{\log(1 - xt)}{t} decrece cuando t=1n0t = \frac1n \downarrow 0; o desarróllese: φn0\varphi_{n}' \geq 0 en nn mediante log(1u)+u1u0\log(1-u) + \frac{u}{1-u} \geq 0). Luego (1xn)nex/21x<nex/2(1 - \frac xn)^n\eu^{x/2}\mathbf 1_{x<n} \nearrow \eu^{-x/2}, y la convergencia monótona da

limn0n(1xn)nex/2 ⁣dx=0ex/2 ⁣dx=2.\lim_n\int_0^n\Bigl(1 - \frac xn\Bigr)^n\eu^{x/2}\dd x = \int_0^\infty\eu^{-x/2}\dd x = 2 .

(b) Sustitúyase u=xnu = x^n (x=u1/nx = u^{1/n}, nxn1 ⁣dx= ⁣dun x^{n-1}\dd x = \dd u):

01nxn11+x ⁣dx=01 ⁣du1+u1/n.\int_0^1\frac{nx^{n-1}}{1 + x}\dd x = \int_0^1\frac{\dd u}{1 + u^{1/n}} .

Para u(0,1)u \in \intoo01: u1/n1u^{1/n} \to 1, de modo que el integrando tiende a 12\frac12, dominado por 11: el límite es 12\frac12 (convergencia dominada). (La masa de nxn1nx^{n-1} se concentra en x=1x = 1, donde 11+x=12\frac1{1+x} = \frac12: la sustitución hace visible la concentración.)

(c) Puntualmente, (1+x/n)nex(1 + x/n)^n \nearrow \eu^x y x1/n1x^{1/n} \to 1 (x>0x > 0): el integrando tiende a ex\eu^{-x}. Dominador para n2n \geq 2: en (0,1]\intoc01, x1/nx1/2x^{-1/n} \leq x^{-1/2} y (1+x/n)n1(1 + x/n)^{-n} \leq 1: cota x1/2x^{-1/2}, integrable; en (1,)\intoo1\infty, x1/n1x^{-1/n} \leq 1 y (1+x/n)n1+(n2)x2n21+x24(1 + x/n)^n \geq 1 + \binom n2\frac{x^2}{n^2} \geq 1 + \frac{x^2}4: cota 44+x2\frac{4}{4 + x^2}, integrable. Convergencia dominada:

limn0 ⁣dx(1+x/n)nx1/n=0ex ⁣dx=1.\lim_n\int_0^\infty\frac{\dd x}{(1 + x/n)^nx^{1/n}} = \int_0^\infty\eu^{-x}\dd x = 1 .

10.6 Problema: dos integrales célebres

Problema 10.1

Problema de fin de semana — la integral gaussiana y la integral de Dirichlet, solo con parámetros

Dos integrales gobiernan el análisis aplicado:

G=+ex2 ⁣dx=π,D=0+sinxx ⁣dx=π2G = \int_{-\infty}^{+\infty}\eu^{-x^2}\dd x = \sqrt\pi, \qquad D = \int_0^{+\infty}\frac{\sin x}{x}\,\dd x = \frac\pi2

(la segunda como integral impropia, el Ejemplo 10.13). Demostraremos ambas usando únicamente las herramientas de este capítulo.

Parte I — La gaussiana. Para t0t \geq 0, póngase

A(t)=(0tex2 ⁣dx)2,B(t)=01et2(1+x2)1+x2 ⁣dx.A(t) = \Bigl(\int_0^t\eu^{-x^2}\dd x\Bigr)^{2}, \qquad B(t) = \int_0^1\frac{\eu^{-t^2(1 + x^2)}}{1 + x^2}\,\dd x .
  1. Justificar que AA y BB son C1\mathcal C^1 en (0,+)\intoo0{+\infty}, calcular AA' y BB' y demostrar que A(t)+B(t)=0A'(t) + B'(t) = 0. (En BB', sustitúyase u=txu = tx.)
  2. Calcular A(0)+B(0)A(0) + B(0) y limt+(A+B)(t)\lim_{t\to+\infty}(A + B)(t) — justifíquese el paso al límite bajo la integral en BB.
  3. Concluir 0ex2 ⁣dx=π2\int_0^\infty \eu^{-x^2}\dd x = \frac{\sqrt\pi}2, de donde G=πG = \sqrt\pi, y deducir Γ(12)=π\Gamma(\tfrac12) = \sqrt\pi (sustitúyase x=u2x = u^2 en Γ(12)\Gamma(\frac12)).

Parte II — La integral de Dirichlet. Para t0t \geq 0, póngase

F(t)=0+etxsinxx ⁣dx.F(t) = \int_0^{+\infty}\eu^{-tx}\,\frac{\sin x}{x}\,\dd x .
  1. Demostrar que la integral que define F(t)F(t) converge para todo t>0t > 0 como integral de Lebesgue, y para t=0t = 0 como integral impropia; demostrar que D=limA0Asinxx ⁣dxD = \lim_{A\to\infty}\int_0^A\frac{\sin x}x\dd x existe (intégrese por partes en [π,A][\pi, A]).
  2. Demostrar que FF es C1\mathcal C^1 en (0,+)\intoo0{+\infty} con

    F(t)=0+etxsinx ⁣dx=11+t2F'(t) = -\int_0^{+\infty}\eu^{-tx}\sin x\,\dd x = -\frac{1}{1 + t^2}

    (dominación en [t0,)[t_0, \infty) para cada t0>0t_0 > 0; la última integral, por dos integraciones por partes o con exponenciales complejas).

  3. Demostrar que F(t)0F(t) \to 0 cuando t+t \to +\infty y deducir F(t)=π2arctantF(t) = \frac\pi2 - \arctan t en (0,+)\intoo0{+\infty}.
  4. El punto delicado: D=limt0+F(t)D = \lim_{t\to0^+}F(t). Demuéstrese mediante un control uniforme de la cola: para 0t10 \leq t \leq 1 y AπA \geq \pi, intégrese por partes para ver que

    A+etxsinxx ⁣dxCA\Bigl|\int_A^{+\infty}\eu^{-tx}\frac{\sin x}x\,\dd x\Bigr| \leq \frac{C}{A}

    con CC independiente de tt (derívese etxx\frac{\eu^{-tx}}x y acótese cos\abs{\cos} por 11; obsérvese que tetx1/x(txetx)t\eu^{-tx} \leq 1/x\cdot(tx\eu^{-tx}) con supu0ueu<1\sup_{u\geq0}u\eu^{-u} < 1); pártase después F(t)DF(t) - D en [0,A][0, A] (donde se aplica la convergencia dominada cuando t0t \to 0) y [A,)[A, \infty).

  5. Concluir: D=π2D = \frac\pi2.

Parte III — Dividendos.

  1. Calcular 0+sin2xx2 ⁣dx\int_0^{+\infty}\frac{\sin^2x}{x^2}\,\dd x (intégrese por partes y redúzcase a DD mediante sin2x=2sinxcosx\sin 2x = 2\sin x\cos x).
  2. Calcular 0+1cosxx2 ⁣dx\int_0^{+\infty}\frac{1 - \cos x}{x^2}\,\dd x y comprobar la coherencia de los dos resultados.
  3. Para a>0a > 0, calcular 0+sin(ax)x ⁣dx\int_0^{+\infty}\frac{\sin(ax)}x\dd x y +eax2 ⁣dx\int_{-\infty}^{+\infty}\eu^{-ax^2}\dd x, y regístrense las reglas de cambio de escala (serán los caballos de batalla de Capítulo 14).
  4. Explicar con precisión por qué DD no podía tratarse directamente por convergencia dominada en t=0t = 0 (no hay dominador integrable en [0,1]×[0,)[0,1]\times[0,\infty)), y por qué el corte de la cola de la pregunta 7 es el sustituto honesto — este patrón («integrabilidad uniforme de las colas») reaparece a lo largo de todo el análisis.

Parte IV — La función Gamma según Bohr y Mollerup. La función Γ\Gamma (el Ejemplo 10.16) cumple Γ(1)=1\Gamma(1) = 1 y Γ(x+1)=xΓ(x)\Gamma(x+1) = x\Gamma(x) — pero también lo hacen infinitas funciones más (multiplíquese por cualquier ondulación 11-periódica). Una sola condición de convexidad fija Γ\Gamma de manera única, y sus identidades más profundas caen entonces mecánicamente. Una función positiva ff sobre un intervalo es logarítmicamente convexa si logf\log f es convexa.

  1. Demostrar que la convexidad logarítmica implica la convexidad, que los productos de funciones logarítmicamente convexas y sus composiciones con aplicaciones afines son logarítmicamente convexos y — mediante la desigualdad de Hölder para dos funciones uv(up)1/p(vq)1/q\int\abs{uv} \leq \bigl(\int\abs u^p\bigr)^{1/p}\bigl(\int\abs v^q\bigr)^{1/q}, demostrada directamente a partir de la desigualdad de Young — que Γ\Gamma es logarítmicamente convexa en (0,)\intoo0\infty.
  2. (Lema de las pendientes) Sea gg convexa en (0,)\intoo0\infty con g(n+1)g(n)=logng(n+1) - g(n) = \log n para todo entero n1n \geq 1. Para x(0,1]x \in \intoc01 y n2n \geq 2, compárense las pendientes de gg sobre [n1,n][n-1, n], [n,n+x][n, n+x] y [n,n+1][n, n+1], y dedúzcase

    xlog(n1)    g(n+x)g(n)    xlogn.x\log(n-1) \;\leq\; g(n + x) - g(n) \;\leq\; x\log n .
  3. (Bohr–Mollerup) Sea f>0f > 0 con f(1)=1f(1) = 1, f(x+1)=xf(x)f(x+1) = xf(x) y logf\log f convexa. Desenrollando la recursión en f(n+x)=x(x+1)(x+n1)f(x)f(n + x) = x(x+1)\cdots(x + n - 1)\,f(x) y f(n)=(n1)!f(n) = (n-1)!, dedúzcase de la pregunta 14 que, para x(0,1]x \in \intoc01,

    f(x)=limnn!nxx(x+1)(x+n):f(x) = \lim_{n\to\infty} \frac{n!\,n^x}{x(x+1)\cdots(x+n)} :

    ff es única, luego f=Γf = \Gamma, y vale la fórmula límite de Gauss (extiéndase a todo x>0x > 0 mediante la recursión).

  4. Defínase la función Beta B(x,y)=01tx1(1t)y1 ⁣dtB(x, y) = \int_0^1t^{x-1}(1-t)^{y-1}\,\dd t (x,y>0x, y > 0). Demuéstrense la convergencia, la recursión B(x+1,y)=xx+yB(x,y)B(x+1, y) = \frac{x}{x+y}\,B(x, y) (intégrese por partes) y B(1,y)=1yB(1, y) = \frac1y.
  5. Demostrar que xB(x,y)x \mapsto B(x, y) es logarítmicamente convexa (Hölder de nuevo) y aplíquese Bohr–Mollerup a

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

    para concluir la fórmula de Euler: B(x,y)=Γ(x)Γ(y)Γ(x+y)B(x, y) = \dfrac{\Gamma(x)\Gamma(y)}{\Gamma(x+y)} — sin ninguna integral doble.

  6. Calcular B(12,12)B(\frac12, \frac12) directamente (sustitúyase t=sin2θt = \sin^2\theta) y deducir Γ(12)=π\Gamma(\frac12) = \sqrt\pi: la integral gaussiana de la Parte I, recuperada por pura convexidad. Compárense las dos demostraciones en una frase cada una.
  7. (Duplicación de Legendre) Demostrar que

    g(x)=2x1πΓ(x2)Γ(x+12)g(x) = \frac{2^{x-1}}{\sqrt\pi}\, \Gamma\Bigl(\frac x2\Bigr) \Gamma\Bigl(\frac{x+1}2\Bigr)

    cumple las tres hipótesis de Bohr–Mollerup y concluir g=Γg = \Gamma, es decir, Γ(2z)=22z1πΓ(z)Γ(z+12)\Gamma(2z) = \frac{2^{2z-1}}{\sqrt\pi}\,\Gamma(z)\,\Gamma(z + \tfrac12) para todo z>0z > 0.

  8. Deducir la forma cerrada Γ(n+12)=(2n)!4nn!π\Gamma\bigl(n + \tfrac12\bigr) = \dfrac{(2n)!}{4^n\,n!}\sqrt\pi y demostrar, mediante el lema de las pendientes aplicado a logΓ\log\Gamma alrededor de enteros grandes, la asintótica

    Γ(n+12)Γ(n)n1.\frac{\Gamma(n + \frac12)}{\Gamma(n)\,\sqrt n} \longrightarrow 1 .
  9. Combinar las dos últimas preguntas en la asintótica del coeficiente binomial central

    (2nn)4nπn,\binom{2n}{n} \sim \frac{4^n}{\sqrt{\pi n}},

    y comprobarla numéricamente para n=10n = 10 ((2010)=184756\binom{20}{10} = 184756, frente a 410/10π1870794^{10}/\sqrt{10\pi} \approx 187079: cociente 0.988\approx 0.988).

  10. (Síntesis) La constante π\sqrt\pi ha aparecido ya como integral gaussiana (Parte I), como B(12,12)B(\frac12, \frac12) (pregunta 18) y dentro de la duplicación (pregunta 19); y la estimación del binomial central anticipa tanto Stirling (el problema de fin de semana del Capítulo 11) como de Moivre–Laplace. Trácese el mapa de las conexiones: qué enunciados equivalen a cuáles, y qué aporta cada técnica — derivación bajo el signo integral frente a convexidad — que la otra no puede aportar.

Parte V — Tres dividendos más.

  1. (Wallis, mediante Beta) Para p>1p > -1, sustitúyase t=sin2θt = \sin^2\theta para ver que

    Wp=0π/2sinpθ ⁣dθ=12B(p+12,12),W_p = \int_0^{\pi/2}\sin^p\theta\,\dd\theta = \frac12\,B\Bigl(\frac{p+1}2, \frac12\Bigr),

    y dedúzcase de la recursión de Beta (pregunta 16) que Wn+2=n+1n+2WnW_{n+2} = \frac{n+1}{n+2}\,W_n para enteros n0n \geq 0. Calcúlense W2nW_{2n} y W2n+1W_{2n+1} en forma cerrada, demuéstrese W2n+1/W2n1W_{2n+1}/W_{2n} \to 1 por encaje y concluir con el producto de Wallis

    π2=limnk=1n4k24k21.\frac\pi2 = \lim_{n\to\infty} \prod_{k=1}^{n}\frac{4k^2}{4k^2 - 1} .
  2. (La gaussiana se encuentra con una frecuencia) Para bRb \in \R, póngase

    Φ(b)=+ex2cos(2bx) ⁣dx.\Phi(b) = \int_{-\infty}^{+\infty} \eu^{-x^2}\cos(2bx)\,\dd x .

    Demostrar que Φ\Phi es C1\mathcal C^1 en R\R, que una integración por partes da la ecuación diferencial Φ(b)=2bΦ(b)\Phi'(b) = -2b\,\Phi(b), y concluir

    Φ(b)=πeb2:\Phi(b) = \sqrt\pi\,\eu^{-b^2} :

    la gaussiana se reproduce a sí misma bajo esta transformación — la única identidad sobre la que funcionará el Capítulo 14.

  3. (Integral de Frullani) Para 0<a<b0 < a < b, demostrar que

    0+eaxebxx ⁣dx=logba,\int_0^{+\infty} \frac{\eu^{-ax} - \eu^{-bx}}{x}\,\dd x = \log\frac ba ,

    derivando respecto del parámetro aa (justifíquese la dominación en cada [a0,+)\intco{a_0}{+\infty}, a0>0a_0 > 0, e identifíquese la constante haciendo aba \to b). ¿Dónde necesita exactamente el integrando su singularidad evitable en x=0x = 0?

Solución

Solución de Problema 10.1.

1. AA es C1\mathcal C^1 por el teorema fundamental del cálculo y la regla de la cadena: A(t)=2et20tex2 ⁣dxA'(t) = 2\eu^{-t^2}\int_0^t\eu^{-x^2}\dd x. Para BB: t(et2(1+x2)1+x2)=2tet2(1+x2)\partial_t\bigl(\frac{\eu^{-t^2(1+x^2)}}{1+x^2}\bigr) = -2t\,\eu^{-t^2(1+x^2)}, continua y acotada en [t0,T]×[0,1][t_0, T] \times \intcc01 para cualquier 0<t0<T0 < t_0 < T (basta la dominación por una constante sobre un espacio de medida finita): BB es C1\mathcal C^1 en (0,+)\intoo0{+\infty} con

B(t)=2t01et2(1+x2) ⁣dx=2et201te(tx)2 ⁣dx=2et20teu2 ⁣du=A(t)B'(t) = -2t\int_0^1 \eu^{-t^2(1+x^2)}\dd x = -2\eu^{-t^2}\int_0^1 t\,\eu^{-(tx)^2}\dd x = -2\eu^{-t^2}\int_0^t\eu^{-u^2}\dd u = -A'(t)

(sustitución u=txu = tx).

2. A(0)=0A(0) = 0 y B(0)=01 ⁣dx1+x2=π4B(0) = \int_0^1\frac{\dd x}{1+x^2} = \frac\pi4. A+BA + B tiene derivada nula en (0,+)\intoo0{+\infty} y es continua en 00 (BB por dominación 11+x2\frac1{1+x^2} y Teorema 10.14): A+Bπ4A + B \equiv \frac\pi4. Cuando t+t\to+\infty: 0B(t)et200 \leq B(t) \leq \eu^{-t^2} \to 0, y A(t)(0ex2 ⁣dx)2A(t) \to \bigl(\int_0^\infty\eu^{-x^2}\dd x\bigr)^2 (convergencia monótona, o simplemente convergencia monótona de la integral interior).

3. Por tanto, (0ex2 ⁣dx)2=π4\bigl(\int_0^\infty\eu^{-x^2}\dd x\bigr)^2 = \frac\pi4: 0ex2 ⁣dx=π2\int_0^\infty\eu^{-x^2}\dd x = \frac{\sqrt\pi}2, y por paridad G=πG = \sqrt\pi. Además, Γ(12)=0x1/2ex ⁣dx=x=u220eu2 ⁣du=π\Gamma(\frac12) = \int_0^\infty x^{-1/2}\eu^{-x}\dd x \overset{x = u^2}{=} 2\int_0^\infty\eu^{-u^2}\dd u = \sqrt\pi.

4. Para t>0t > 0: etxsinxxetx\abs{\eu^{-tx}\frac{\sin x}x} \leq \eu^{-tx}, integrable. Para t=0t = 0, convergencia impropia: en [π,A][\pi, A],

πAsinxx ⁣dx=[cosxx]πAπAcosxx2 ⁣dx,\int_\pi^A\frac{\sin x}x\dd x = \Bigl[-\frac{\cos x}x\Bigr]_\pi^A - \int_\pi^A\frac{\cos x}{x^2}\dd x,

ambos términos convergen cuando AA \to \infty; y cerca de 00 el integrando se extiende de manera continua por 11.

5. En [t0,+)[t_0, +\infty) (t0>0t_0 > 0): t(etxsinxx)=etxsinxet0x\abs{\partial_t\bigl(\eu^{-tx}\tfrac{\sin x}x\bigr)} = \eu^{-tx}\abs{\sin x} \leq \eu^{-t_0x}, integrable: el Teorema 10.15 se aplica en todo intervalo de ese tipo y, por tanto, en todo (0,+)\intoo0{+\infty}:

F(t)=0etxsinx ⁣dx=Im0e(ti)x ⁣dx=Im1ti=11+t2.F'(t) = -\int_0^\infty\eu^{-tx}\sin x\,\dd x = -\operatorname{Im}\int_0^\infty\eu^{-(t - \iu)x}\dd x = -\operatorname{Im}\frac{1}{t - \iu} = -\frac{1}{1 + t^2}.

6. F(t)0etx ⁣dx=1t0\abs{F(t)} \leq \int_0^\infty\eu^{-tx}\dd x = \frac1t \to 0. Integrando F=11+t2F' = -\frac1{1+t^2}: F(t)=CarctantF(t) = C - \arctan t, y tt \to \infty obliga a C=π2C = \frac\pi2: F(t)=π2arctantF(t) = \frac\pi2 - \arctan t en (0,+)\intoo0{+\infty}.

7. Intégrese por partes en [A,R][A, R] con sinx=(cosx)\sin x = (-\cos x)' y hágase RR \to \infty:

Aetxsinxx ⁣dx=cosA  etAAAcosx(tx+1x2)etx ⁣dx.\int_A^{\infty}\eu^{-tx}\frac{\sin x}x\dd x = \frac{\cos A\;\eu^{-tA}}{A} - \int_A^\infty \cos x\,\Bigl(\frac tx + \frac1{x^2}\Bigr)\eu^{-tx}\dd x .

Acotando cos1\abs{\cos} \leq 1: el primer término es 1A\leq \frac1A; y la integral vale a lo sumo Atetx ⁣dxx+A ⁣dxx21A0tetx ⁣dx+1A=2A\int_A^\infty t\eu^{-tx}\frac{\dd x}x + \int_A^\infty\frac{\dd x}{x^2} \leq \frac1A\int_0^\infty t\eu^{-tx}\dd x + \frac1A = \frac2A. En total: 3A\leq \frac 3A, uniformemente para t[0,1]t \in [0, 1] (incluido el caso t=0t = 0). Ahora bien,

F(t)D0A(etx1)sinxx ⁣dx+6A.\abs{F(t) - D} \leq \Bigl|\int_0^A(\eu^{-tx} - 1)\,\frac{\sin x}x\,\dd x\Bigr| + \frac6A .

En [0,A][0, A]: etx1txtA\abs{\eu^{-tx} - 1} \leq tx \leq tA y sinxx1\abs{\frac{\sin x}x} \leq 1, de modo que el primer término vale a lo sumo tA2tA^2. Elíjase AA con 6A<ε\frac6A < \varepsilon y después t<ε/A2t < \varepsilon/A^2: F(t)D<2ε\abs{F(t) - D} < 2\varepsilon.

8. Por tanto, D=limt0+F(t)=limt0+(π2arctant)=π2D = \lim_{t\to0^+}F(t) = \lim_{t\to0^+}\bigl(\frac\pi2 - \arctan t\bigr) = \frac\pi2.

9. Por partes (u=sin2xu = \sin^2x, v=x2v' = x^{-2}):

0sin2xx2 ⁣dx=[sin2xx]0+02sinxcosxx ⁣dx=0sin2xx ⁣dx=D=π2\int_0^\infty\frac{\sin^2x}{x^2}\dd x = \Bigl[-\frac{\sin^2x}{x}\Bigr]_0^\infty + \int_0^\infty\frac{2\sin x\cos x}{x}\dd x = \int_0^\infty\frac{\sin 2x}{x}\dd x = D = \frac\pi2

(sustitúyase u=2xu = 2x en el último paso; los términos de frontera se anulan: sin2x/x0\sin^2 x/x \to 0 en ambos extremos).

10. Por partes (u=1cosxu = 1 - \cos x, v=x2v' = x^{-2}): 01cosxx2 ⁣dx=0sinxx ⁣dx=π2\int_0^\infty\frac{1 - \cos x}{x^2}\dd x = \int_0^\infty\frac{\sin x}x\dd x = \frac\pi2. Coherencia: 1cosx=2sin2x21 - \cos x = 2\sin^2\frac x2, y la sustitución x=2ux = 2u convierte 2sin2(x/2)x2 ⁣dx\int\frac{2\sin^2(x/2)}{x^2}\dd x en sin2uu2 ⁣du\int\frac{\sin^2u}{u^2}\dd u: los dos cálculos concuerdan.

11. 0sin(ax)x ⁣dx=π2\int_0^\infty\frac{\sin(ax)}x\dd x = \frac\pi2 para todo a>0a > 0 (sustitúyase u=axu = ax: la integral es invariante por cambios de escala); Reax2 ⁣dx=π/a\int_\R\eu^{-ax^2}\dd x = \sqrt{\pi/a} (sustitúyase u=axu = \sqrt a\,x). El cambio de escala en el argumento deja fija la integral de Dirichlet y divide la gaussiana por a\sqrt a.

12. Un dominador válido para todo t[0,1]t \in [0,1] tendría que dominar supt[0,1]etxsinxx=sinxx\sup_{t\in[0,1]}\abs{\eu^{-tx}\frac{\sin x}x} = \abs{\frac{\sin x}x}, que no es integrable (el Ejercicio 10.6): la convergencia dominada no puede cruzar t=0t = 0. El sustituto de la pregunta 7 — colas uniformemente pequeñas en el parámetro y la parte compacta tratada por convergencia dominada — es el patrón estándar de la «integrabilidad uniforme», y reaparece siempre que la convergencia condicional se topa con un intercambio de límites.

13. Si g=logfg = \log f es convexa, entonces f=expgf = \exp\circ g es convexa (la exponencial es convexa creciente: f(λx+(1λ)y)eλg(x)+(1λ)g(y)λf(x)+(1λ)f(y)f(\lambda x + (1-\lambda) y) \leq \eu^{\lambda g(x) + (1-\lambda)g(y)} \leq \lambda f(x) + (1-\lambda)f(y), siendo el último paso la convexidad de la exponencial entre los puntos g(x),g(y)g(x), g(y)). Productos y sustituciones afines: los logaritmos los convierten en sumas y sustituciones afines de funciones convexas. Hölder (1p+1q=1\frac1p + \frac1q = 1): para up=vq=1\int\abs u^p = \int\abs v^q = 1, Young da uvupp+vqq\abs{uv} \leq \frac{\abs u^p}p + \frac{\abs v^q}q; intégrese: uv1\int\abs{uv} \leq 1; el caso general, por homogeneidad. Entonces, para λ(0,1)\lambda \in \intoo01, aplíquese con p=1λp = \frac1\lambda a la factorización

tλx+(1λ)y1et=(tx1et)λ(ty1et)1λ:Γ(λx+(1λ)y)Γ(x)λΓ(y)1λ.t^{\lambda x + (1-\lambda)y - 1}\eu^{-t} = \bigl(t^{x-1}\eu^{-t}\bigr)^{\lambda} \bigl(t^{y-1}\eu^{-t}\bigr)^{1-\lambda} : \qquad \Gamma(\lambda x + (1{-}\lambda)y) \leq \Gamma(x)^\lambda\,\Gamma(y)^{1-\lambda} .

14. Para una gg convexa, la pendiente de una cuerda crece con sus extremos (desigualdad de las tres cuerdas). Comparando las cuerdas sobre [n1,n][n-1, n], [n,n+x][n, n+x] y [n,n+1][n, n+1]:

log(n1)=g(n)g(n1)1g(n+x)g(n)xg(n+1)g(n)1=logn,\log(n-1) = \frac{g(n) - g(n-1)}1 \leq \frac{g(n+x) - g(n)}x \leq \frac{g(n+1) - g(n)}1 = \log n,

y multiplicando por x>0x > 0 se obtiene lo afirmado.

15. Con f(n)=(n1)!f(n) = (n-1)! (recursión a partir de f(1)=1f(1) = 1) y f(n+x)=x(x+1)(x+n1)f(x)f(n + x) = x(x+1)\cdots(x+n-1)\,f(x), la pregunta 14 se lee

(n1)x(n1)!    x(x+1)(x+n1)f(x)    nx(n1)!.(n-1)^x\,(n-1)! \;\leq\; x(x+1)\cdots(x+n-1)\,f(x) \;\leq\; n^x\,(n-1)! .

La cota superior se reescribe como f(x)n!nxx(x+1)(x+n)x+nnf(x) \leq \frac{n!\,n^x}{x(x+1)\cdots(x+n)}\cdot\frac{x+n}n, y la inferior, en el rango n+1n+1, como f(x)n!nxx(x+1)(x+n)f(x) \geq \frac{n!\,n^x}{x(x+1)\cdots(x+n)}. El factor de corrección x+nn1\frac{x+n}n \to 1: el encaje obliga a

f(x)=limnn!nxx(x+1)(x+n)(x(0,1]),f(x) = \lim_n\frac{n!\,n^x}{x(x+1)\cdots(x+n)} \qquad (x \in \intoc01),

una expresión independiente de ff: unicidad en (0,1]\intoc01 y, por la recursión, en todas partes. Como Γ\Gamma cumple las tres hipótesis (pregunta 13), f=Γf = \Gamma y vale la fórmula de Gauss — para todo x>0x > 0, pues ambos miembros obedecen la misma recursión.

16. Cerca de 00, el integrando es tx1\sim t^{x-1}, integrable si y solo si x>0x > 0; cerca de 11, lo simétrico con yy. Integración por partes en [ε,1ε]\intcc\varepsilon{1-\varepsilon}, haciendo ε0\varepsilon \to 0 (los términos de frontera se anulan para x,y>0x, y > 0):

B(x+1,y)=[tx(1t)yy]01+xy01tx1(1t)y ⁣dt=xy(B(x,y)B(x+1,y)),B(x{+}1, y) = \Bigl[-t^x\frac{(1-t)^y}y\Bigr]_0^1 + \frac xy\int_0^1t^{x-1}(1-t)^y\,\dd t = \frac xy\bigl(B(x, y) - B(x{+}1, y)\bigr),

usando (1t)y=(1t)y1(1t)(1-t)^y = (1-t)^{y-1}(1 - t); despejando, B(x+1,y)=xx+yB(x,y)B(x+1, y) = \frac{x}{x+y}B(x, y). Y B(1,y)=01(1t)y1 ⁣dt=1yB(1, y) = \int_0^1(1-t)^{y-1}\dd t = \frac1y.

17. f(1)=1yΓ(1+y)Γ(y)=1f(1) = \frac1y\cdot\frac{\Gamma(1+y)}{\Gamma(y)} = 1; f(x+1)=xx+yB(x,y)(x+y)Γ(x+y)Γ(y)=xf(x)f(x+1) = \frac{x}{x+y}B(x,y)\cdot\frac{(x+y)\Gamma(x+y)} {\Gamma(y)} = x\,f(x); y ff es logarítmicamente convexa en xx por ser producto de la logarítmicamente convexa B(,y)B(\cdot, y) (Hölder sobre la factorización t(λx1+(1λ)x2)1(1t)y1=()λ()1λt^{(\lambda x_1 + (1-\lambda)x_2)-1}(1-t)^{y-1} = (\cdots)^\lambda(\cdots)^{1-\lambda}, como en la pregunta 13) y de Γ(+y)\Gamma(\cdot + y) (desplazamiento afín). Bohr–Mollerup: f=Γf = \Gamma, es decir, B(x,y)=Γ(x)Γ(y)Γ(x+y)B(x, y) = \frac{\Gamma(x)\Gamma(y)}{\Gamma(x+y)}.

18. Con t=sin2θt = \sin^2\theta,  ⁣dt=2sinθcosθ ⁣dθ\dd t = 2\sin\theta\cos\theta\,\dd\theta y t1/2(1t)1/2=1sinθcosθt^{-1/2}(1-t)^{-1/2} = \frac1{\sin\theta\cos\theta}:

B(12,12)=0π/22 ⁣dθ=π=Γ(12)2Γ(1)Γ(12)=π.B\Bigl(\frac12, \frac12\Bigr) = \int_0^{\pi/2}2\,\dd\theta = \pi = \frac{\Gamma(\frac12)^2}{\Gamma(1)} \quad\Longrightarrow\quad \Gamma\Bigl(\frac12\Bigr) = \sqrt\pi .

La Parte I alcanzaba la misma constante derivando respecto de un parámetro y haciendo competir dos funciones hasta sus límites; aquí la convexidad, por sí sola, rigidificó el problema hasta dejar un único valor superviviente. Análisis por movimiento frente a análisis por forma.

19. g(1)=20πΓ(12)Γ(1)=1g(1) = \frac{2^0}{\sqrt\pi}\Gamma(\frac12) \Gamma(1) = 1. Recursión:

g(x+1)=2xπΓ(x+12)Γ(x2+1)=2xπx2Γ(x2)Γ(x+12)=xg(x).g(x+1) = \frac{2^{x}}{\sqrt\pi}\, \Gamma\Bigl(\frac{x+1}2\Bigr)\Gamma\Bigl(\frac x2 + 1\Bigr) = \frac{2^{x}}{\sqrt\pi}\cdot\frac x2\, \Gamma\Bigl(\frac x2\Bigr)\Gamma\Bigl(\frac{x+1}2\Bigr) = x\,g(x) .

Convexidad logarítmica: producto de e(x1)log2\eu^{(x-1)\log2} (logarítmicamente afín) y de dos reparametrizaciones afines de la logarítmicamente convexa Γ\Gamma. Bohr–Mollerup da g=Γg = \Gamma; y poniendo x=2zx = 2z: Γ(2z)=22z1πΓ(z)Γ(z+12)\Gamma(2z) = \frac{2^{2z-1}}{\sqrt\pi}\Gamma(z)\Gamma(z + \frac12).

20. De Γ(12)=π\Gamma(\frac12) = \sqrt\pi y la recursión, Γ(n+12)=(n12)(n32)12π=(2n1)(2n3)12nπ=(2n)!4nn!π\Gamma(n + \frac12) = (n - \frac12)(n - \frac32)\cdots\frac12\,\sqrt\pi = \frac{(2n-1)(2n-3)\cdots1}{2^n}\sqrt\pi = \frac{(2n)!}{4^nn!}\sqrt\pi (complétese el producto de los impares con los pares). Asintótica: la pregunta 14 con g=logΓg = \log\Gamma y x=12x = \frac12 da n1Γ(n+12)Γ(n)n\sqrt{n-1} \leq \frac{\Gamma(n+\frac12)}{\Gamma(n)} \leq \sqrt n, de modo que el cociente respecto de n\sqrt n queda encajado entre 11n\sqrt{1 - \frac1n} y 11.

21. De la pregunta 20, (2n)!=4nn!πΓ(n+12)(2n)! = \frac{4^nn!}{\sqrt\pi}\Gamma(n + \tfrac12), luego

(2nn)=(2n)!(n!)2=4nΓ(n+12)π  n!=4nπΓ(n+12)nΓ(n)4nπnn=4nπn.\binom{2n}n = \frac{(2n)!}{(n!)^2} = \frac{4^n\,\Gamma(n+\frac12)}{\sqrt\pi\;n!} = \frac{4^n}{\sqrt\pi}\cdot \frac{\Gamma(n+\frac12)}{n\,\Gamma(n)} \sim \frac{4^n}{\sqrt\pi}\cdot\frac{\sqrt n}{n} = \frac{4^n}{\sqrt{\pi n}} .

Numéricamente, 410/10π=1048576/5.6050187078.64^{10}/\sqrt{10\pi} = 1048576/5.6050 \approx 187078.6, frente a (2010)=184756\binom{20}{10} = 184756: cociente 0.98760.9876 — el error es O(1/n)O(1/n), visible en n=10n = 10.

22. Equivalencias: Γ(12)=πG=π\Gamma(\frac12) = \sqrt\pi \Leftrightarrow G = \sqrt\pi (la sustitución x=u2x = u^2 de la pregunta 3) B(12,12)=π\Leftrightarrow B(\frac12, \frac12) = \pi (fórmula de Euler); la duplicación en z=nz = n es la forma cerrada de Γ(n+12)\Gamma(n + \frac12), que es la estimación del binomial central salvo el lema de las pendientes. La técnica del parámetro (Partes I–II) calcula límites de cantidades en movimiento y es indispensable cuando hay una deformación genuina (la integral de Dirichlet no tiene demostración por convexidad); la técnica de la convexidad no calcula nada, pero lo prohíbe todo — sobresale en unicidad y ecuaciones funcionales (Gauss, Euler y Legendre en tres trazos), donde la derivación se ahogaría en cálculos. Un analista completo lleva ambas.

23. Con t=sin2θt = \sin^2\theta,  ⁣dt=2sinθcosθ ⁣dθ=2t1/2(1t)1/2 ⁣dθ\dd t = 2\sin\theta\cos\theta\,\dd\theta = 2\,t^{1/2}(1-t)^{1/2}\,\dd\theta, luego

Wp=01tp/2 ⁣dt2t1/2(1t)1/2=1201tp+121(1t)121 ⁣dt=12B(p+12,12).W_p = \int_0^1 t^{p/2}\, \frac{\dd t}{2\,t^{1/2}(1-t)^{1/2}} = \frac12\int_0^1 t^{\frac{p+1}2 - 1}(1-t)^{\frac12 - 1}\dd t = \frac12\,B\Bigl(\frac{p+1}2, \frac12\Bigr).

La recursión de Beta con x=n+12x = \frac{n+1}2, y=12y = \frac12 da

Wn+2=12(n+1)/2(n+2)/2B(n+12,12)=n+1n+2Wn.W_{n+2} = \frac12\, \frac{(n+1)/2}{(n+2)/2}\,B\Bigl(\frac{n+1}2, \frac12\Bigr) = \frac{n+1}{n+2}\,W_n .

Partiendo de W0=π2W_0 = \frac\pi2, W1=1W_1 = 1:

W2n=π2k=1n2k12k,W2n+1=k=1n2k2k+1.W_{2n} = \frac\pi2\prod_{k=1}^n\frac{2k-1}{2k}, \qquad W_{2n+1} = \prod_{k=1}^n\frac{2k}{2k+1} .

Como sinn+1sinn\sin^{n+1} \leq \sin^n en [0,π/2]\intcc0{\pi/2}, la sucesión (Wn)(W_n) es no creciente, luego

1W2n+1W2nW2n+1W2n1=2n2n+11.1 \geq \frac{W_{2n+1}}{W_{2n}} \geq \frac{W_{2n+1}}{W_{2n-1}} = \frac{2n}{2n+1} \longrightarrow 1 .

Pero las formas cerradas dan

W2n+1W2n=2πk=1n(2k)2(2k1)(2k+1)=2πk=1n4k24k21,\frac{W_{2n+1}}{W_{2n}} = \frac2\pi \prod_{k=1}^n\frac{(2k)^2}{(2k-1)(2k+1)} = \frac2\pi\prod_{k=1}^n\frac{4k^2}{4k^2-1},

y haciendo nn \to \infty se obtiene el producto de Wallis. (Mediante la fórmula de Euler, Wp=π2Γ(p+12)/Γ(p2+1)W_p = \frac{\sqrt\pi}2\, \Gamma(\frac{p+1}2)/\Gamma(\frac p2 + 1): Wallis es la integral gaussiana con otro disfraz más.)

24. La derivada respecto de bb del integrando es 2xex2sin(2bx)-2x\,\eu^{-x^2}\sin(2bx), dominada por 2xex2L1(R)2\abs x\,\eu^{-x^2} \in L^1(\R) uniformemente en bb: Φ\Phi es C1\mathcal C^1 con

Φ(b)=+2xex2sin(2bx) ⁣dx.\Phi'(b) = -\int_{-\infty}^{+\infty} 2x\,\eu^{-x^2}\sin(2bx)\,\dd x .

Integrando por partes con u=sin(2bx)u = \sin(2bx),  ⁣dv=2xex2 ⁣dx\dd v = -2x\,\eu^{-x^2}\dd x (de modo que v=ex2v = \eu^{-x^2}), los términos de frontera se anulan y

Φ(b)=2b+ex2cos(2bx) ⁣dx=2bΦ(b).\Phi'(b) = -2b\int_{-\infty}^{+\infty} \eu^{-x^2}\cos(2bx)\,\dd x = -2b\,\Phi(b).

Por tanto, (Φ(b)eb2)=0\bigl(\Phi(b)\,\eu^{b^2}\bigr)' = 0 y Φ(b)=Φ(0)eb2=πeb2\Phi(b) = \Phi(0)\,\eu^{-b^2} = \sqrt\pi\,\eu^{-b^2} por la Parte I. Salvo normalización, esto dice que la transformada de Fourier de ex2\eu^{-x^2} es de nuevo una gaussiana — el punto fijo sobre el que pivota la teoría de la inversión del Capítulo 14.

25. Para 0<a<b0 < a < b y x>0x > 0,

0eaxebxx=abesx ⁣ds(ba)eax,0 \leq \frac{\eu^{-ax} - \eu^{-bx}}{x} = \int_a^b \eu^{-sx}\,\dd s \leq (b - a)\,\eu^{-ax},

de modo que la integral I(a)I(a) converge (Lebesgue); la cota puntual muestra también que el integrando se extiende de manera continua por bab - a en x=0x = 0. Fíjese bb; en [a0,+)\intco{a_0}{+\infty}, la derivada respecto de aa del integrando es eax-\eu^{-ax}, dominada por ea0xL1((0,+))\eu^{-a_0x} \in L^1(\intoo0{+\infty}), de modo que II es C1\mathcal C^1 en (0,b)\intoo0b con

I(a)=0+eax ⁣dx=1a,luegoI(a)=loga+c.I'(a) = -\int_0^{+\infty}\eu^{-ax}\dd x = -\frac1a, \qquad\text{luego}\qquad I(a) = -\log a + c .

La cota por ambos lados da 0I(a)(ba)/a00 \leq I(a) \leq (b-a)/a \to 0 cuando aba \to b^-, luego c=logbc = \log b y I(a)=logbaI(a) = \log\frac ba. La singularidad evitable hace falta en 00: cada término eax/x\eu^{-ax}/x por separado tiene integral divergente (logarítmicamente) cerca de 00, y solo la cancelación de primer orden eaxebx=O(x)\eu^{-ax} - \eu^{-bx} = O(x) hace integrable allí la diferencia; en el infinito, cada término es inofensivo por sí solo.

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