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 , se mide el conjunto . 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 , 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 y .
10.1 Funciones medibles
Definición 10.1
Sean y espacios medibles. es medible si para todo . Para funciones reales (o con valores en ), lleva su -álgebra de Borel, y basta comprobar para todo : los buenos conjuntos forman una -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 son medibles, también lo son , , , , . (c) Si son medibles con valores en , entonces , , , son medibles; y si puntualmente, es medible.
Demostración. (a) ; la continuidad da la medibilidad a través de los abiertos generadores (el Problema 9.1, pregunta 10, en forma general). (b) es medible para la -álgebra de Borel de — compruébese sobre las cajas abiertas, que generan (los abiertos de son uniones numerables de cajas racionales): — y son continuas : compóngase. (c) ; ; ; y un límite puntual es su propio . ∎
Definición 10.3
Una función simple es una función medible con un número finito de valores: , con disjuntos y (para la teoría no negativa). Su integral es
(con el convenio ); el valor no depende de la representación (refínense dos particiones).
Teorema 10.4 (Aproximación por funciones simples)
Toda función medible es límite puntual de una sucesión creciente de funciones simples:
Demostración. Cada es simple (los conjuntos son preimágenes de conjuntos de Borel). Monotonía: al pasar de a , cada nivel diádico se parte en dos y el valor asignado nunca decrece (un punto con recibe o , ambos ; y el tope también sube). Convergencia: si , para se tiene ; si , . ∎
10.2 La integral y los teoremas de convergencia
Definición 10.5
Para medible:
Es monótona en por construcción y extiende el caso simple (para simple, el supremo se alcanza en : compárense integrales de funciones simples mediante refinamientos comunes).
Teorema 10.6 (Convergencia monótona, Beppo Levi)
Si puntualmente (con las medibles), entonces
Demostración. es medible (la Proposición 10.2(c)) y crece hacia cierto (monotonía). Recíprocamente, fíjense una simple y ; los conjuntos son medibles y crecen hacia (donde : , luego a la larga ; donde : trivialmente). Entonces
por continuidad por abajo (la Proposición 9.6(c)). Así, para todo y toda simple: . ∎
Corolario 10.7
Para medibles y : y ; y para una serie de funciones medibles no negativas, .
Demostración. Para las funciones simples, la aditividad es un cálculo sobre un refinamiento común. En general, tómense , (el Teorema 10.4): , 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 medibles:
Demostración. Sea : es medible, , y para todo , luego . Aplíquese la convergencia monótona al miembro izquierdo: . ∎
Definición 10.9
Una medible (o ) es integrable si ; entonces (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 (caso real: ; 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 -nulo; modificar sobre un conjunto nulo no cambia ninguna integral (la diferencia está dominada por , de integral ).
Teorema 10.10 (Convergencia dominada)
Sea en casi todo punto, con en casi todo punto para una integrable fija. Entonces es integrable y
Demostración. Descártese un conjunto nulo para que las hipótesis sean puntuales. : es integrable. Las funciones cumplen ; Fatou da
luego (la resta es lícita: ). Por último, . ∎
Método 10.11
Ante , 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 , hallado con cotas groseras («» las estimaciones)? Convergencia dominada. (3) ¿Ni dominación ni monotonía? Fatou sigue acotando un lado, y la igualdad puede fallar de verdad: la joroba fugitiva tiene pero 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 acotada. Entonces es integrable Riemann si y solo si es continua en -casi todo punto; y en tal caso es integrable Lebesgue y ambas integrales coinciden.
Demostración. Para una subdivisión , sean y las funciones escalonadas iguales, en cada , a y a ; las sumas de Darboux son sus integrales (Riemann y Lebesgue coinciden sobre las funciones escalonadas, y ambas dan ). Tómese una sucesión de subdivisiones , cada una refinando la anterior, de paso , cuyas sumas de Darboux converjan a las integrales de Darboux inferior y superior de . Los refinamientos hacen no decreciente y no creciente puntualmente fuera del conjunto numerable de todos los puntos de división; llámense y a los límites (medibles, la Proposición 10.2). Para , escribiendo para el intervalo abierto de que contiene : y ; y como los pasos tienden a , estas son las envolventes inferior y superior de en — es la oscilación de en —, de modo que si y solo si es continua en . Por convergencia monótona o dominada (acotada, intervalo finito):
integrable Riemann a.e. (; Ejercicio 10.5) continua en casi todo punto. En tal caso con en casi todo punto: coincide en casi todo punto con la medible y, por tanto, es medible Lebesgue (completitud de ) con . ∎
Ejemplo 10.13
no es continua en ningún punto: no es integrable Riemann — pero es trivial para Lebesgue: . La función de Thomae ( en los racionales , en el resto) es continua exactamente en los irracionales: es integrable Riemann con integral . Y las integrales de Riemann impropias son una noción distinta: converge como límite de (el problema de fin de semana la calcula: vale ), pero : 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, es un espacio de medida, un espacio métrico (el parámetro) y con integrable para cada ; póngase .
Teorema 10.14 (Continuidad)
Supóngase que es continua en para casi todo , y que existe una integrable con para todo de un entorno de y casi todo . Entonces es continua en .
Demostración. Para toda sucesión : en casi todo punto, dominada por : la convergencia dominada da ; y en los espacios métricos basta la continuidad secuencial (Observación 6.8). ∎
Teorema 10.15 (Derivación bajo el signo integral)
Sea un intervalo abierto de . Supóngase que, para casi todo , es derivable en , con
integrable. Entonces es derivable en con .
Demostración. Fíjense y : los cocientes incrementales
y la desigualdad del valor medio acota : se aplica la convergencia dominada, y . ∎
Ejemplo 10.16 (La función Gamma)
Para , póngase
La integral converge: cerca de , es integrable (); y en el infinito, . La integración por partes (en y después el límite por convergencia monótona) da la ecuación funcional , de donde : el factorial interpolado. En todo , está dominada por , que es integrable: es y, por inducción, , con . El valor es la integral gaussiana disfrazada (el Problema 10.1).
10.5 Ejercicios
Ejercicio 10.1 ★
(a) Demostrar que una función monótona es medible Borel, y que una derivada (de una función derivable en todo punto) es medible Borel. (b) Demostrar que es medible si y solo si para todo racional.
Solución
Solución de Ejercicio 10.1.
(a) Si es no decreciente, es , o una semirrecta / : de Borel en todos los casos; el caso no creciente, análogo. Una derivada: es límite puntual de funciones continuas (y por tanto medibles): Proposición 10.2(c).
(b) : si los niveles racionales son medibles, lo son todos, y las semirrectas generan .
Ejercicio 10.2 ★
Calcular, con justificación completa:
(Para la segunda: sustitúyase antes de dominar.)
Solución
Solución de Ejercicio 10.2.
Primera: para , de modo que el integrando tiende puntualmente a ; y para , , lo que da el dominador integrable . Convergencia dominada:
Segunda: sustitúyase (una biyección de ):
por convergencia dominada: para , , y el integrando está acotado por sobre un espacio de medida finita.
Ejercicio 10.3 ★★
(a) Exhibir una desigualdad estricta en el lema de Fatou. (b) Exhibir puntualmente con 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 por en ninguno de los dos miembros.
Solución
Solución de Ejercicio 10.3.
(a) : puntualmente, : .
(b) Altura: ; anchura: ; traslación: . Todas tienden a puntualmente con . En cada caso falla la hipótesis de dominación: es cerca de , es un perfil constante no integrable, es del mismo tipo — nunca integrable.
(c) «» falla para la joroba que se traslada: miembro izquierdo , miembro derecho . «» es el mismo enunciado. Y el lema de Fatou para con invertido («Fatou al revés») exige un dominador — la misma joroba es el contraejemplo.
Ejercicio 10.4 ★★
(a) Demostrar que (desarróllese en serie geométrica e intégrese término a término — ¿qué teorema lo permite?). (b) (El sueño del estudiante de segundo) Demostrar . (Escríbase y calcúlese sustituyendo y reconociendo .)
Solución
Solución de Ejercicio 10.4.
(a) Para : , luego , una serie de funciones medibles no negativas: el Corolario 10.7 permite integrar término a término:
( por partes; Basilea, del volumen de segundo año, o el Ejercicio 13.5 que viene).
(b) Sobre , , de modo que es una serie de términos no negativos: intercámbiese de nuevo. Sustituyendo :
Por tanto, : el sueño del estudiante de segundo, con todo rigor.
Ejercicio 10.5 ★★
(a) Demostrar que medible con cumple en casi todo punto. (Considérese y la desigualdad de Markov: — demuéstrese.) (b) Demostrar que una integrable es finita en casi todo punto. (c) Demostrar que si para todo medible, entonces en casi todo punto.
Solución
Solución de Ejercicio 10.5.
(a) Markov: , intégrese: . Si : para todo , y es nulo.
(b) .
(c) Tómese : , luego en casi todo punto por (a); análogamente en casi todo punto.
Ejercicio 10.6 ★★
(a) Aplíquese el Teorema 10.12 para decidir la integrabilidad Riemann de: ; la función de Thomae; para un conjunto de Cantor gordo (el Ejercicio 9.5). (b) Demostrar que , mientras que existe (intégrese por partes): convergencia impropia sin integrabilidad.
Solución
Solución de Ejercicio 10.6.
(a) : discontinua en todo punto, no integrable Riemann (el Teorema 10.12); su integral de Lebesgue vale . Thomae: es continua en todo irracional (dado , solo un número finito de racionales de tienen denominador ; evítense con un pequeño entorno) y discontinua en los racionales (densidad de los irracionales): es continua en casi todo punto, integrable Riemann, de integral (se anula en casi todo punto). , con un conjunto de Cantor gordo: el conjunto de discontinuidad es (cerrado de interior vacío), de medida : no es integrable Riemann — y sí es integrable Lebesgue, con integral .
(b) : la serie diverge. Convergencia de la integral impropia: para ,
y ambos términos convergen cuando ( es integrable): convergencia condicional sin integrabilidad absoluta.
Ejercicio 10.7 ★★
Justificar que es en y cumple (intégrese por partes); deducir . (Con 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: , integrable e independiente de : el Teorema 10.15 se aplica globalmente,
(integración por partes con ). La ecuación diferencial lineal da ; y con (el Problema 10.1), la gaussiana se reproduce a sí misma bajo esta transformada del coseno.
Ejercicio 10.8 ★★★
(Frullani) Sean . Demostrar
escribiendo el integrando como y justificando el intercambio mediante la teoría no negativa (el Corolario 10.7 en forma continua — anticípese Tonelli, o córtese en partes iguales y pásese al límite).
Solución
Solución de Ejercicio 10.8.
La integral converge: cerca de el integrando tiende a (acotado) y decae como en el infinito. Fíjese y véase como función de . Para todo : , y : un dominador integrable. Así, el Teorema 10.15 da y :
(Equivalentemente, la vía de la indicación: el integrando es 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 medible sobre . Demostrar que define una medida (de densidad respecto de ), y que para toda medible (demuéstrese para indicadores, después para funciones simples y después por convergencia monótona — la máquina estándar).
Solución
Solución de Ejercicio 10.9.
; para disjuntos, (puntualmente, con todos los términos ), y el Corolario 10.7 da la -aditividad. La fórmula : para es la definición de ; para simple, linealidad; y para medible, tómense simples (el Teorema 10.4): , y la convergencia monótona en ambos miembros pasa al límite. (Este ascensor «indicadores simples convergencia monótona» es la máquina estándar de la teoría.)
Ejercicio 10.10 ★★★
(Un fallo al estilo de Weierstrass) Defínase . (a) Demostrar que está bien definida y es continua en , y que con para todo — pero que derivar otra vez bajo el signo integral es ilegítimo. (b) Admitiendo que para (se demuestra en el Capítulo 17), ¿cuánto vale para , y por qué su fórmula confirma el fallo de (a)?
Solución
Solución de Ejercicio 10.10.
(a) da : la integral converge y, sobre , el dominador da la continuidad (el Teorema 10.14). Derivación: , integrable: para todo . Una segunda derivación exigiría integrar , cuyo valor absoluto se comporta como en el infinito: no es integrable — no existe dominador y el Teorema 10.15 no puede aplicarse de nuevo.
(b) Admitiendo para : por ser impar, es par, luego — que no es derivable en : es pero no , lo que confirma que la segunda derivación bloqueada no era un accidente técnico. Para , la integral impropia vale (derivando la fórmula admitida allí donde es lícito, es decir, en ) — un valor impropio, no de Lebesgue.
Ejercicio 10.11 ★★
(Lema de Scheffé) Sean integrables con en casi todo punto y . (a) Demostrar que . (Aplíquese la convergencia dominada a y escríbase .) (b) Demostrar con un ejemplo que la hipótesis no puede suprimirse (una joroba que se desliza o que se concentra), y que la conclusión falla para con signo sin control en valor absoluto: cumple en casi todo punto y , y sin embargo . (c) Aplicación (densidades): si densidades de probabilidad cumplen en casi todo punto, entonces automáticamente : la convergencia puntual de las densidades es convergencia — una mejora de convergencia gratis.
Solución
Solución de Ejercicio 10.11.
(a) Sea : entonces (positividad de ), en casi todo punto, y es un dominador integrable: (convergencia dominada). Como ,
(b) La joroba deslizante cumple en casi todo punto y : sin la convergencia de las integrales, la convergencia falla (y también falla la hipótesis). El ejemplo con signo: en todo , , pero : para sucesiones con signo, el teorema trata realmente de un control de tipo , y la positividad se usó exactamente en .
(c) Las densidades cumplen : la hipótesis de (a) es automática, de modo que en casi todo punto obliga a — y, por tanto, a la convergencia de las probabilidades uniformemente sobre todos los medibles (): 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:
(Para (a): para fijo — demuéstrese la monotonía mediante ; para (b), intégrese por partes o sustitúyase e identifíquese una concentración en el borde; para (c), búsquese un dominador integrable válido para todo partiendo en .)
Solución
Solución de Ejercicio 10.12.
(a) Sobre , crece con hacia (la aplicación decrece cuando ; o desarróllese: en mediante ). Luego , y la convergencia monótona da
(b) Sustitúyase (, ):
Para : , de modo que el integrando tiende a , dominado por : el límite es (convergencia dominada). (La masa de se concentra en , donde : la sustitución hace visible la concentración.)
(c) Puntualmente, y (): el integrando tiende a . Dominador para : en , y : cota , integrable; en , y : cota , integrable. Convergencia dominada:
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:
(la segunda como integral impropia, el Ejemplo 10.13). Demostraremos ambas usando únicamente las herramientas de este capítulo.
Parte I — La gaussiana. Para , póngase
- Justificar que y son en , calcular y y demostrar que . (En , sustitúyase .)
- Calcular y — justifíquese el paso al límite bajo la integral en .
- Concluir , de donde , y deducir (sustitúyase en ).
Parte II — La integral de Dirichlet. Para , póngase
- Demostrar que la integral que define converge para todo como integral de Lebesgue, y para como integral impropia; demostrar que existe (intégrese por partes en ).
Demostrar que es en con
(dominación en para cada ; la última integral, por dos integraciones por partes o con exponenciales complejas).
- Demostrar que cuando y deducir en .
El punto delicado: . Demuéstrese mediante un control uniforme de la cola: para y , intégrese por partes para ver que
con independiente de (derívese y acótese por ; obsérvese que con ); pártase después en (donde se aplica la convergencia dominada cuando ) y .
- Concluir: .
Parte III — Dividendos.
- Calcular (intégrese por partes y redúzcase a mediante ).
- Calcular y comprobar la coherencia de los dos resultados.
- Para , calcular y , y regístrense las reglas de cambio de escala (serán los caballos de batalla de Capítulo 14).
- Explicar con precisión por qué no podía tratarse directamente por convergencia dominada en (no hay dominador integrable en ), 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 (el Ejemplo 10.16) cumple y — pero también lo hacen infinitas funciones más (multiplíquese por cualquier ondulación -periódica). Una sola condición de convexidad fija de manera única, y sus identidades más profundas caen entonces mecánicamente. Una función positiva sobre un intervalo es logarítmicamente convexa si es convexa.
- 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 , demostrada directamente a partir de la desigualdad de Young — que es logarítmicamente convexa en .
(Lema de las pendientes) Sea convexa en con para todo entero . Para y , compárense las pendientes de sobre , y , y dedúzcase
(Bohr–Mollerup) Sea con , y convexa. Desenrollando la recursión en y , dedúzcase de la pregunta 14 que, para ,
es única, luego , y vale la fórmula límite de Gauss (extiéndase a todo mediante la recursión).
- Defínase la función Beta (). Demuéstrense la convergencia, la recursión (intégrese por partes) y .
Demostrar que es logarítmicamente convexa (Hölder de nuevo) y aplíquese Bohr–Mollerup a
para concluir la fórmula de Euler: — sin ninguna integral doble.
- Calcular directamente (sustitúyase ) y deducir : la integral gaussiana de la Parte I, recuperada por pura convexidad. Compárense las dos demostraciones en una frase cada una.
(Duplicación de Legendre) Demostrar que
cumple las tres hipótesis de Bohr–Mollerup y concluir , es decir, para todo .
Deducir la forma cerrada y demostrar, mediante el lema de las pendientes aplicado a alrededor de enteros grandes, la asintótica
Combinar las dos últimas preguntas en la asintótica del coeficiente binomial central
y comprobarla numéricamente para (, frente a : cociente ).
- (Síntesis) La constante ha aparecido ya como integral gaussiana (Parte I), como (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.
(Wallis, mediante Beta) Para , sustitúyase para ver que
y dedúzcase de la recursión de Beta (pregunta 16) que para enteros . Calcúlense y en forma cerrada, demuéstrese por encaje y concluir con el producto de Wallis
(La gaussiana se encuentra con una frecuencia) Para , póngase
Demostrar que es en , que una integración por partes da la ecuación diferencial , y concluir
la gaussiana se reproduce a sí misma bajo esta transformación — la única identidad sobre la que funcionará el Capítulo 14.
(Integral de Frullani) Para , demostrar que
derivando respecto del parámetro (justifíquese la dominación en cada , , e identifíquese la constante haciendo ). ¿Dónde necesita exactamente el integrando su singularidad evitable en ?
Solución
Solución de Problema 10.1.
1. es por el teorema fundamental del cálculo y la regla de la cadena: . Para : , continua y acotada en para cualquier (basta la dominación por una constante sobre un espacio de medida finita): es en con
(sustitución ).
2. y . tiene derivada nula en y es continua en ( por dominación y Teorema 10.14): . Cuando : , y (convergencia monótona, o simplemente convergencia monótona de la integral interior).
3. Por tanto, : , y por paridad . Además, .
4. Para : , integrable. Para , convergencia impropia: en ,
ambos términos convergen cuando ; y cerca de el integrando se extiende de manera continua por .
5. En (): , integrable: el Teorema 10.15 se aplica en todo intervalo de ese tipo y, por tanto, en todo :
6. . Integrando : , y obliga a : en .
7. Intégrese por partes en con y hágase :
Acotando : el primer término es ; y la integral vale a lo sumo . En total: , uniformemente para (incluido el caso ). Ahora bien,
En : y , de modo que el primer término vale a lo sumo . Elíjase con y después : .
8. Por tanto, .
9. Por partes (, ):
(sustitúyase en el último paso; los términos de frontera se anulan: en ambos extremos).
10. Por partes (, ): . Coherencia: , y la sustitución convierte en : los dos cálculos concuerdan.
11. para todo (sustitúyase : la integral es invariante por cambios de escala); (sustitúyase ). El cambio de escala en el argumento deja fija la integral de Dirichlet y divide la gaussiana por .
12. Un dominador válido para todo tendría que dominar , que no es integrable (el Ejercicio 10.6): la convergencia dominada no puede cruzar . 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 es convexa, entonces es convexa (la exponencial es convexa creciente: , siendo el último paso la convexidad de la exponencial entre los puntos ). Productos y sustituciones afines: los logaritmos los convierten en sumas y sustituciones afines de funciones convexas. Hölder (): para , Young da ; intégrese: ; el caso general, por homogeneidad. Entonces, para , aplíquese con a la factorización
14. Para una convexa, la pendiente de una cuerda crece con sus extremos (desigualdad de las tres cuerdas). Comparando las cuerdas sobre , y :
y multiplicando por se obtiene lo afirmado.
15. Con (recursión a partir de ) y , la pregunta 14 se lee
La cota superior se reescribe como , y la inferior, en el rango , como . El factor de corrección : el encaje obliga a
una expresión independiente de : unicidad en y, por la recursión, en todas partes. Como cumple las tres hipótesis (pregunta 13), y vale la fórmula de Gauss — para todo , pues ambos miembros obedecen la misma recursión.
16. Cerca de , el integrando es , integrable si y solo si ; cerca de , lo simétrico con . Integración por partes en , haciendo (los términos de frontera se anulan para ):
usando ; despejando, . Y .
17. ; ; y es logarítmicamente convexa en por ser producto de la logarítmicamente convexa (Hölder sobre la factorización , como en la pregunta 13) y de (desplazamiento afín). Bohr–Mollerup: , es decir, .
18. Con , y :
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. . Recursión:
Convexidad logarítmica: producto de (logarítmicamente afín) y de dos reparametrizaciones afines de la logarítmicamente convexa . Bohr–Mollerup da ; y poniendo : .
20. De y la recursión, (complétese el producto de los impares con los pares). Asintótica: la pregunta 14 con y da , de modo que el cociente respecto de queda encajado entre y .
21. De la pregunta 20, , luego
Numéricamente, , frente a : cociente — el error es , visible en .
22. Equivalencias: (la sustitución de la pregunta 3) (fórmula de Euler); la duplicación en es la forma cerrada de , 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 , , luego
La recursión de Beta con , da
Partiendo de , :
Como en , la sucesión es no creciente, luego
Pero las formas cerradas dan
y haciendo se obtiene el producto de Wallis. (Mediante la fórmula de Euler, : Wallis es la integral gaussiana con otro disfraz más.)
24. La derivada respecto de del integrando es , dominada por uniformemente en : es con
Integrando por partes con , (de modo que ), los términos de frontera se anulan y
Por tanto, y por la Parte I. Salvo normalización, esto dice que la transformada de Fourier de es de nuevo una gaussiana — el punto fijo sobre el que pivota la teoría de la inversión del Capítulo 14.
25. Para y ,
de modo que la integral converge (Lebesgue); la cota puntual muestra también que el integrando se extiende de manera continua por en . Fíjese ; en , la derivada respecto de del integrando es , dominada por , de modo que es en con
La cota por ambos lados da cuando , luego y . La singularidad evitable hace falta en : cada término por separado tiene integral divergente (logarítmicamente) cerca de , y solo la cancelación de primer orden hace integrable allí la diferencia; en el infinito, cada término es inofensivo por sí solo.