Mathematics · Buku 5 · Bachelor Year 3

Matematika Universitas — Tahun 3

Matematika Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3

10Integral Lebesgue

Integral Riemann mengiris daerah asalnya menjadi selang kecil; sedangkan integral Lebesgue mengiris daerah hasilnya: yakni untuk mengintegralkan ff, ukurlah himpunan {f>t}\{f > t\}. Perubahannya tampak tak berbahaya padahal revolusioner. Limit dan integral, yang selamanya bertengkar pada teori Riemann (sebab kekonvergenan seragam dituntut!), kini diperdamaikan oleh tiga teorema kekonvergenan — yakni kekonvergenan monoton, Fatou, dan kekonvergenan terdominasi — yang hipotesisnya lemah sampai hampir memalukan. Bab ini membangun integralnya atas sembarang ruang ukuran (X,A,μ)(X, \mathcal A, \mu), membuktikan ketiga teorema itu, menuntaskan hubungannya yang persis dengan integral Riemann (bahwa fungsi terbatas terintegralkan Riemann jika dan hanya jika ia kontinu hampir di mana-mana), dan mengindustrikan pendiferensialan integral bergantung parameter — yakni teknik yang dipakai soal akhir pekan untuk menghitung ∫0∞sin⁡xx  ⁣dx\int_0^\infty\frac{\sin x}x\,\dd x dan ∫Re−x2 ⁣dx\int_\R \eu^{-x^2}\dd x.

10.1 Fungsi terukur

Definisi 10.1

Misalkan (X,A)(X, \mathcal A) dan (Y,B)(Y, \mathcal B) ruang terukur. Pemetaan f ⁣:X→Yf \colon X \to Y disebut terukur jika f−1(B)∈Af^{-1}(B) \in \mathcal A untuk setiap B∈BB \in \mathcal B. Untuk fungsi real (atau yang bernilai di [−∞,+∞][-\infty,+\infty]), Y=RY = \R membawa aljabar-σ\sigma Borelnya, dan cukup diperiksa f−1((t, +∞))={f>t}∈Af^{-1}(\intoo t{+\infty}) = \{f > t\} \in \mathcal A untuk setiap t∈Rt \in \R: sebab himpunan baiknya {B:f−1(B)∈A}\{B : f^{-1}(B) \in \mathcal A\} membentuk aljabar-σ\sigma (karena prapeta komutatif dengan operasi himpunan) yang memuat sinar pembangkitnya (Definisi 9.2, Metode 9.17).

Proposisi 10.2

(a) Komposisi pemetaan terukur tetap terukur; dan pemetaan kontinu bersifat terukur Borel. (b) Jika f,g ⁣:X→Rf, g \colon X \to \R terukur, maka demikian pula f+gf + g, fgfg, max⁡(f,g)\max(f,g), ∣f∣\abs f, dan λf\lambda f. (c) Jika (fn)(f_n) terukur dengan nilai di [−∞,+∞][-\infty, +\infty], maka sup⁡nfn\sup_nf_n, inf⁡nfn\inf_nf_n, lim sup⁡fn\limsup f_n, lim inf⁡fn\liminf f_n terukur; dan jika fn→ff_n \to f titik demi titik, maka ff terukur.

Bukti. (a) (g∘f)−1(B)=f−1(g−1(B))(g\circ f)^{-1}(B) = f^{-1}(g^{-1}(B)); sedangkan kekontinuannya memberikan keterukuran lewat himpunan terbuka pembangkitnya (Soal 9.1, pertanyaan 10, dalam bentuk umumnya). (b) Pemetaan (f,g) ⁣:X→R2(f, g) \colon X \to \R^2 terukur terhadap aljabar-σ\sigma Borel dari R2\R^2 — periksalah pada kotak terbukanya, yang membangkitkannya (sebab himpunan terbuka R2\R^2 berupa gabungan terbilang kotak rasional): (f,g)−1(U×V)=f−1(U)∩g−1(V)(f,g)^{-1}(U\times V) = f^{-1}(U)\cap g^{-1}(V) — dan +,×,max⁡+, \times, \max kontinu R2→R\R^2 \to \R: lalu komposisikan. (c) {sup⁡fn>t}=⋃n{fn>t}\{\sup f_n > t\} = \bigcup_n\{f_n > t\}; lalu inf⁡=−sup⁡(−)\inf = -\sup(-); lim sup⁡=inf⁡Nsup⁡n≥N\limsup = \inf_N\sup_{n \geq N}; dan limit titik demi titik adalah lim sup⁡\limsup-nya sendiri. ∎

Definisi 10.3

Sebuah fungsi sederhana adalah fungsi terukur yang bernilai berhingga banyak: s=∑i=1nci 1Ais = \sum_{i=1}^n c_i\,\mathbf 1_{A_i}, dengan Ai∈AA_i \in \mathcal A saling lepas dan ci≥0c_i \geq 0 (untuk teori tak negatifnya). Integralnya adalah

∫s  ⁣dμ=∑ici μ(Ai)∈[0,+∞]\int s\,\dd\mu = \sum_i c_i\,\mu(A_i) \in [0, +\infty]

(dengan kesepakatan 0⋅∞=00\cdot\infty = 0); dan nilainya tak bergantung pada penyajiannya (haluskan kedua partisinya).

Teorema 10.4 (Penghampiran oleh fungsi sederhana)

Setiap f ⁣:X→[0,+∞]f \colon X \to [0, +\infty] yang terukur merupakan limit titik demi titik sebuah barisan naik berisi fungsi sederhana:

sn=∑k=1n2nk−12n 1{k−12n≤f<k2n}+n 1{f≥n}↗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 .

Bukti. Setiap sns_n bersifat sederhana (sebab himpunannya prapeta himpunan Borel). Kemonotonannya: beralih dari nn ke n+1n+1 membelah setiap aras diadiknya menjadi dua dan tak pernah menurunkan nilai yang diberikan (sebab titik dengan k−12n≤f(x)<k2n\frac{k-1}{2^n} \leq f(x) < \frac k{2^n} memperoleh entah 2k−22n+1\frac{2k-2}{2^{n+1}} entah 2k−12n+1\frac{2k-1}{2^{n+1}}, keduanya ≥k−12n\geq \frac{k-1}{2^n}; dan batas atasnya nn juga naik). Kekonvergenannya: jika f(x)<∞f(x) < \infty, maka untuk n>f(x)n > f(x) berlaku f(x)−sn(x)≤2−nf(x) - s_n(x) \leq 2^{-n}; sedangkan jika f(x)=∞f(x) = \infty, maka sn(x)=n→∞s_n(x) = n \to \infty. ∎

10.2 Integralnya dan teorema kekonvergenannya

Definisi 10.5

Untuk f≥0f \geq 0 yang terukur:

∫f  ⁣dμ=sup⁡{∫s  ⁣dμ:s sederhana, 0≤s≤f}∈[0,+∞].\int f \,\dd\mu = \sup\Bigl\{\int s\,\dd\mu : s \text{ sederhana}, \ 0 \leq s \leq f\Bigr\} \in [0, +\infty].

Integral ini monoton terhadap ff menurut konstruksinya, dan memperluas kasus sederhananya (sebab untuk ff yang sederhana, supremumnya tercapai di ff: bandingkan integral sederhananya lewat penghalusan bersama).

Teorema 10.6 (Kekonvergenan monoton, Beppo Levi)

Jika 0≤fn↗f0 \leq f_n \nearrow f titik demi titik (dan terukur), maka

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

Bukti. Fungsi ff terukur (Proposisi 10.2(c)) dan ∫fn\int f_n naik menuju suatu L≤∫fL \leq \int f (menurut kemonotonannya). Sebaliknya, tetapkan sebuah s=∑ci1Ai≤fs = \sum c_i\mathbf 1_{A_i} \leq f yang sederhana dan θ∈(0,1)\theta \in (0,1); maka himpunan En={fn≥θs}E_n = \{f_n \geq \theta s\} terukur dan naik menuju XX (sebab bila s(x)>0s(x) > 0: f(x)≥s(x)>θs(x)f(x) \geq s(x) > \theta s(x), sehingga akhirnya fn(x)≥θs(x)f_n(x) \geq \theta s(x); sedangkan bila s(x)=0s(x) = 0: secara trivial). Maka

∫fn≥∫Enθs  ⁣dμ=θ∑ici μ(Ai∩En)→n→∞θ∑ici μ(Ai)=θ∫s\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

menurut kekontinuan dari bawah (Proposisi 9.6(c)). Jadi L≥θ∫sL \geq \theta\int s untuk setiap θ<1\theta < 1 dan setiap s≤fs \leq f yang sederhana: sehingga L≥∫fL \geq \int f. ∎

Akibat 10.7

Untuk f,g≥0f, g \geq 0 yang terukur dan c≥0c \geq 0: berlaku ∫(f+g)=∫f+∫g\int(f + g) = \int f + \int g dan ∫cf=c∫f\int cf = c\int f; sedangkan untuk deret fungsi terukur tak negatif, ∫∑nfn=∑n∫fn\int\sum_nf_n = \sum_n\int f_n.

Bukti. Untuk fungsi sederhana, keaditifannya berupa perhitungan pada penghalusan bersama. Secara umum ambillah sn↗fs_n \nearrow f dan tn↗gt_n \nearrow g (Teorema 10.4): maka sn+tn↗f+gs_n + t_n \nearrow f + g, dan teorema kekonvergenan monotonnya mengalihkan keaditifannya ke limitnya. Pernyataan deretnya adalah teorema itu yang diterapkan pada jumlah parsialnya. ∎

Teorema 10.8 (Lema Fatou)

Untuk fn≥0f_n \geq 0 yang terukur:

∫lim inf⁡nfn  ⁣dμ  ≤  lim inf⁡n∫fn  ⁣dμ.\int \liminf_n f_n \,\dd\mu \;\leq\; \liminf_n \int f_n\,\dd\mu .

Bukti. Misalkan gN=inf⁡n≥Nfng_N = \inf_{n\geq N}f_n: yang terukur, dengan 0≤gN↗lim inf⁡fn0 \leq g_N \nearrow \liminf f_n, dan gN≤fng_N \leq f_n untuk setiap n≥Nn \geq N, sehingga ∫gN≤inf⁡n≥N∫fn\int g_N \leq \inf_{n \geq N}\int f_n. Terapkan kekonvergenan monoton pada ruas kirinya: ∫lim inf⁡fn=lim⁡N∫gN≤lim⁡Ninf⁡n≥N∫fn=lim inf⁡∫fn\int\liminf f_n = \lim_N\int g_N \leq \lim_N\inf_{n\geq N}\int f_n = \liminf\int f_n. ∎

Definisi 10.9

Sebuah f ⁣:X→Rf \colon X \to \R (atau C\C) yang terukur disebut terintegralkan jika ∫∣f∣  ⁣dμ<∞\int\abs f\,\dd\mu < \infty; lalu ∫f=∫f+−∫f−\int f = \int f^+ - \int f^- (yakni bagian positif dan negatifnya; atau bagian real dan imajinernya pada kasus kompleksnya). Integralnya bersifat linear pada fungsi terintegralkan (uraikan lalu gabungkan kembali bagian positifnya; sedangkan kasus kompleksnya menyusut ke kasus realnya) dan memenuhi ∣∫f∣≤∫∣f∣\abs{\int f} \leq \int\abs f (pada kasus realnya: ±∫f=∫(±f)≤∫∣f∣\pm\int f = \int(\pm f) \leq \int\abs f; sedangkan pada kasus kompleksnya: kalikan dengan konstanta unimodular agar integralnya menjadi real). Sebuah sifat berlaku hampir di mana-mana jika ia gagal hanya pada himpunan nol-μ\mu; dan mengubah ff pada himpunan nol tak mengubah integral apa pun (sebab selisihnya didominasi ∞⋅1N\infty\cdot\mathbf 1_N, yang berintegral 00).

Teorema 10.10 (Kekonvergenan terdominasi)

Misalkan fn→ff_n \to f hampir di mana-mana, dengan ∣fn∣≤g\abs{f_n} \leq g hampir di mana-mana untuk sebuah gg terintegralkan yang tetap. Maka ff terintegralkan dan

∫fn  ⁣dμ⟶∫f  ⁣dμ,bahkan∫∣fn−f∣  ⁣dμ→0.\int f_n\,\dd\mu \longrightarrow \int f\,\dd\mu, \qquad\text{bahkan}\quad \int\abs{f_n - f}\,\dd\mu \to 0 .

Bukti. Buanglah sebuah himpunan nol agar hipotesisnya berlaku titik demi titik. Dari ∣f∣≤g\abs f \leq g: ff terintegralkan. Fungsi hn=2g−∣fn−f∣≥0h_n = 2g - \abs{f_n - f} \geq 0 memenuhi lim inf⁡hn=2g\liminf h_n = 2g; lalu Fatou memberikan

∫2g≤lim inf⁡∫(2g−∣fn−f∣)=∫2g−lim sup⁡∫∣fn−f∣,\int 2g \leq \liminf\int\bigl(2g - \abs{f_n - f}\bigr) = \int 2g - \limsup\int\abs{f_n - f},

sehingga lim sup⁡∫∣fn−f∣≤0\limsup\int\abs{f_n - f} \leq 0 (dan pengurangannya sah sebab ∫2g<∞\int 2g < \infty). Akhirnya ∣∫fn−∫f∣≤∫∣fn−f∣→0\abs{\int f_n - \int f} \leq \int\abs{f_n - f} \to 0. ∎

Metode 10.11

Menghadapi lim⁡n∫fn\lim_n\int f_n: cobalah, berurutan — (1) apakah barisannya monoton (atau berupa deret bersuku tak negatif)? Pakai kekonvergenan monoton, tanpa perlu keterintegralan. (2) Adakah satu pendominasi tunggal yang terintegralkan g≥∣fn∣g \geq \abs{f_n}, yang ditemukan lewat batas kasar (yakni “sup⁡n\sup_n” atas taksirannya)? Pakai kekonvergenan terdominasi. (3) Tanpa dominasi dan tanpa kemonotonan? Fatou tetap membatasi salah satu sisinya, dan kesamaannya dapat sungguh gagal: sebab gundukan yang lolos fn=n1(0, 1/n)f_n = n\mathbf 1_{\intoo0{1/n}} mempunyai ∫fn=1\int f_n = 1 padahal fn→0f_n \to 0 hampir di mana-mana. Jadi dominasi tepat merupakan hal yang melarang massanya lolos ke tak hingga, yang terjadi secara tegak ataupun mendatar.

10.3 Riemann lawan Lebesgue

Teorema 10.12 (Kriteria Lebesgue)

Misalkan f ⁣:[a, b]→Rf \colon \intcc ab \to \R terbatas. Maka ff terintegralkan Riemann jika dan hanya jika ff kontinu hampir di mana-mana terhadap λ\lambda; dan dalam hal itu ff terintegralkan Lebesgue serta kedua integralnya berimpit.

Bukti. Untuk sebuah pembagian σ=(a=x0<⋯<xN=b)\sigma = (a = x_0 < \dots < x_N = b), misalkan LσL_\sigma dan UσU_\sigma fungsi tangga yang bernilai, pada setiap (xi−1, xi)\intoo{x_{i-1}}{x_i}, sebesar mi=inf⁡[xi−1,xi]fm_i = \inf_{[x_{i-1}, x_i]}f dan Mi=sup⁡M_i = \sup; maka jumlah Darbouxnya adalah integralnya (sebab Riemann dan Lebesgue bersesuaian pada fungsi tangga, keduanya memberikan ∑miΔxi\sum m_i\Delta x_i). Ambil sebuah barisan pembagian σn\sigma_n, yang masing-masing menghaluskan pendahulunya, dengan kehalusan →0\to 0, sehingga jumlah Darbouxnya konvergen ke integral Darboux bawah dan atas dari ff. Penghalusannya membuat LσnL_{\sigma_n} tak turun dan UσnU_{\sigma_n} tak naik secara titik demi titik di luar himpunan terbilang DD berisi semua titik pembaginya; sebutlah limitnya ℓ\ell dan uu (yang terukur, Proposisi 10.2). Untuk x∉Dx \notin D, dengan menulis In(x)I_n(x) untuk selang-σn\sigma_n terbuka yang memuat xx: berlaku ℓ(x)=sup⁡ninf⁡In(x)f\ell(x) = \sup_n\inf_{I_n(x)}f dan u(x)=inf⁡nsup⁡In(x)fu(x) = \inf_n\sup_{I_n(x)}f; dan karena kehalusannya menyusut ke 00, keduanya merupakan selubung bawah dan atas dari ff di xx — sehingga u(x)−ℓ(x)u(x) - \ell(x) adalah osilasi ff di xx — sehingga ℓ(x)=u(x)\ell(x) = u(x) jika dan hanya jika ff kontinu di xx. Lalu lewat kekonvergenan monoton/terdominasi (karena terbatas, pada selang berhingga):

∫[a, b]ℓ  ⁣dλ=lim⁡n∫Lσn=∫‾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 .

Jadi ff terintegralkan Riemann   ⟺  \iff ∫‾f=∫‾f\underline\int f = \overline\int f   ⟺  \iff ∫(u−ℓ)=0\int(u - \ell) = 0   ⟺  \iff u=ℓu = \ell hampir di mana-mana (sebab u−ℓ≥0u - \ell \geq 0; Latihan 10.5)   ⟺  \iff ff kontinu hampir di mana-mana. Dalam hal itu ℓ≤f≤u\ell \leq f \leq u dengan ℓ=u\ell = u hampir di mana-mana: sehingga ff sama dengan ℓ\ell yang terukur hampir di mana-mana, jadi terukur Lebesgue (menurut kelengkapan λ\lambda) dengan ∫f  ⁣dλ=∫ℓ  ⁣dλ=∫‾f=∫abf\int f\,\dd\lambda = \int\ell\,\dd\lambda = \underline\int f = \int_a^bf. ∎

Contoh 10.13

Fungsi 1Q\mathbf 1_\Q tak kontinu di mana pun: jadi tak terintegralkan Riemann — tetapi trivial bagi Lebesgue: ∫1Q  ⁣dλ=λ(Q)=0\int\mathbf 1_\Q\,\dd\lambda = \lambda(\Q) = 0. Fungsi Thomae (yakni 1q\frac1q di bilangan rasional pq\frac pq dan 00 selainnya) kontinu tepat di bilangan irasional: sehingga terintegralkan Riemann dengan integral 00. Dan integral Riemann tak wajar merupakan gagasan yang berbeda: ∫0∞sin⁡xx  ⁣dx\int_0^\infty\frac{\sin x}x\,\dd x konvergen sebagai limit ∫0A\int_0^A (dan soal akhir pekan menghitungnya =π2= \frac\pi2), padahal sin⁡xx∉L1((0, +∞))\frac{\sin x}x \notin L^1(\intoo0{+\infty}): sebab integral mutlaknya divergen seperti deret harmonik (Latihan 10.6). Jadi teori Lebesgue menukar kekonvergenan bersyarat dengan teorema limit yang tegar.

10.4 Integral berparameter

Sepanjang bagian ini, (X,A,μ)(X, \mathcal A, \mu) adalah ruang ukuran, TT sebuah ruang metrik (yakni parameternya), dan f ⁣:T×X→Cf \colon T \times X \to \C dengan f(t,⋅)f(t, \cdot) terintegralkan untuk setiap tt; lalu tetapkan F(t)=∫Xf(t,x)  ⁣dμ(x)F(t) = \int_X f(t, x)\,\dd\mu(x).

Teorema 10.14 (Kekontinuan)

Andaikan: t↦f(t,x)t \mapsto f(t,x) kontinu di t0t_0 untuk hampir setiap xx, dan ada gg terintegralkan dengan ∣f(t,x)∣≤g(x)\abs{f(t,x)} \leq g(x) untuk setiap tt pada sebuah persekitaran t0t_0 dan hampir setiap xx. Maka FF kontinu di t0t_0.

Bukti. Untuk sembarang barisan tn→t0t_n \to t_0: f(tn,⋅)→f(t0,⋅)f(t_n, \cdot) \to f(t_0, \cdot) hampir di mana-mana, dan terdominasi oleh gg: sehingga kekonvergenan terdominasinya memberikan F(tn)→F(t0)F(t_n) \to F(t_0); dan kekontinuan barisan sudah cukup di ruang metrik (Catatan 6.8). ∎

Teorema 10.15 (Pendiferensialan di bawah integral)

Misalkan TT sebuah selang terbuka R\R. Andaikan: untuk hampir setiap xx, t↦f(t,x)t \mapsto f(t,x) dapat diturunkan pada TT, dengan

∣∂f∂t(t,x)∣≤g(x)untuk setiap t∈T, hampir setiap x,\Bigl|\frac{\partial f}{\partial t}(t, x)\Bigr| \leq g(x) \quad \text{untuk setiap } t \in T,\ \text{hampir setiap } x,

dengan gg terintegralkan. Maka FF dapat diturunkan pada TT dengan F′(t)=∫X∂f∂t(t,x)  ⁣dμ(x)F'(t) = \int_X \frac{\partial f}{\partial t}(t, x)\,\dd\mu(x).

Bukti. Tetapkan tt dan hn→0h_n \to 0: maka hasil bagi selisihnya

φn(x)=f(t+hn,x)−f(t,x)hn⟶∂f∂t(t,x)hampir di mana-mana,\varphi_n(x) = \frac{f(t + h_n, x) - f(t, x)}{h_n} \longrightarrow \frac{\partial f}{\partial t}(t,x) \quad\text{hampir di mana-mana},

dan ketaksamaan nilai rata-rata membatasi ∣φn(x)∣≤sup⁡s∣∂tf(s,x)∣≤g(x)\abs{\varphi_n(x)} \leq \sup_{s}\abs{\partial_tf(s,x)} \leq g(x): sehingga kekonvergenan terdominasinya berlaku, dan F(t+hn)−F(t)hn=∫φn→∫∂tf(t,⋅)\frac{F(t + h_n) - F(t)}{h_n} = \int\varphi_n \to \int\partial_t f(t, \cdot). ∎

Contoh 10.16 (Fungsi Gamma)

Untuk t>0t > 0 misalkan

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

Integralnya konvergen: sebab di dekat 00, xt−1x^{t-1} terintegralkan (karena t>0t > 0); sedangkan di tak hingga, xt−1e−x≤Ce−x/2x^{t-1}\eu^{-x} \leq C\eu^{-x/2}. Pengintegralan parsial (pada [ε,A][\varepsilon, A], lalu limitnya lewat kekonvergenan monoton) memberikan persamaan fungsional Γ(t+1)=t Γ(t)\Gamma(t + 1) = t\,\Gamma(t), sehingga Γ(n+1)=n!\Gamma(n+1) = n!: yakni faktorial yang terinterpolasi. Pada setiap [a, b]⊆(0, +∞)\intcc ab \subseteq \intoo0{+\infty}, ∂t(xt−1e−x)=ln⁡x⋅xt−1e−x\partial_t\bigl(x^{t-1}\eu^{-x}\bigr) = \ln x\cdot x^{t-1}\eu^{-x} terdominasi oleh ∣ln⁡x∣(xa−1+xb−1)e−x\abs{\ln x}(x^{a-1} + x^{b-1})\eu^{-x} yang terintegralkan: sehingga Γ\Gamma bersifat C1\mathcal C^1, dan lewat induksi C∞\mathcal C^\infty, dengan Γ(k)(t)=∫0∞(ln⁡x)kxt−1e−x ⁣dx\Gamma^{(k)}(t) = \int_0^\infty(\ln x)^kx^{t-1}\eu^{-x}\dd x. Sedangkan nilai Γ(12)=π\Gamma(\frac12) = \sqrt\pi merupakan integral Gauss yang menyamar (Soal 10.1).

Integran xx: integral tak wajarnya ∈t_0∈fty konvergen lewat peniadaan berganti tanda antara lengkungannya, tetapi luas | | setiap lengkungannya berperilaku seperti 2π k — yakni deret harmonik: sehingga xx ∉ L1. Jadi keterintegralan Lebesgue adalah keterintegralan mutlak.
Integran sin⁡xx\frac{\sin x}x: integral tak wajarnya ∫0∞\int_0^\infty konvergen lewat peniadaan berganti tanda antara lengkungannya, tetapi luas ∣⋅∣\abs{\cdot} setiap lengkungannya berperilaku seperti 2πk\frac2{\pi k} — yakni deret harmonik: sehingga sin⁡xx∉L1\frac{\sin x}x \notin L^1. Jadi keterintegralan Lebesgue adalah keterintegralan mutlak.

10.5 Latihan

Latihan 10.1 ★

(a) Tunjukkan bahwa fungsi monoton R→R\R \to \R bersifat terukur Borel, dan bahwa turunan (dari fungsi yang dapat diturunkan di mana-mana) bersifat terukur Borel. (b) Tunjukkan bahwa f ⁣:X→Rf \colon X \to \R terukur jika dan hanya jika {f>q}∈A\{f > q\} \in \mathcal A untuk setiap qq rasional.

Solusi

Solusi Latihan 10.1.

(a) Jika ff tak turun, maka {f>t}\{f > t\} berupa ∅\varnothing, R\R, atau sinar (a, +∞)\intoo a{+\infty} / [a, +∞)\intco a{+\infty}: yang bersifat Borel dalam setiap kasusnya; dan yang tak naik serupa saja. Untuk turunan: f′(x)=lim⁡nn(f(x+1n)−f(x))f'(x) = \lim_n n\bigl(f(x + \frac1n) - f(x)\bigr) merupakan limit titik demi titik fungsi kontinu (jadi terukur): Proposisi 10.2(c).

(b) {f>t}=⋃q∈Q, q>t{f>q}\{f > t\} = \bigcup_{q \in \Q,\, q > t}\{f > q\}: sehingga jika aras rasionalnya terukur, maka semua arasnya terukur, dan sinarnya membangkitkan B(R)\mathcal B(\R).

Latihan 10.2 ★

Hitunglah, dengan pembenaran penuh:

lim⁡n→∞∫0+∞cos⁡x(1+x/n)n  ⁣dx,lim⁡n→∞∫01n xn−11+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 .

(Untuk yang kedua: substitusikan u=xnu = x^n sebelum mendominasinya.)

Solusi

Solusi Latihan 10.2.

Pertama: (1+x/n)n↗ex(1 + x/n)^n \nearrow \eu^x untuk x≥0x \geq 0, sehingga integrannya menuju e−xcos⁡x\eu^{-x}\cos x secara titik demi titik; lalu untuk n≥2n \geq 2, (1+x/n)n≥(1+x/2)2(1 + x/n)^n \geq (1 + x/2)^2, yang memberikan pendominasi terintegralkan (1+x/2)−2(1 + x/2)^{-2}. Lewat kekonvergenan terdominasi:

lim⁡n∫0∞cos⁡x(1+x/n)n ⁣dx=∫0∞e−xcos⁡x  ⁣dx=Re⁡∫0∞e−(1−i)x ⁣dx=Re⁡11−i=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 .

Kedua: substitusikan u=xnu = x^n (yakni bijeksi C1\mathcal C^1 dari (0, 1)\intoo01):

∫01nxn−11+x ⁣dx=∫01 ⁣du1+u1/n⟶∫01 ⁣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,

lewat kekonvergenan terdominasi: sebab untuk u∈(0, 1)u \in \intoo01, u1/n→1u^{1/n} \to 1, dan integrannya terbatas oleh 11 pada ruang berukuran berhingga.

Latihan 10.3 ★★

(a) Tampilkan ketaksamaan sejati pada lema Fatou. (b) Tampilkan fn→0f_n \to 0 titik demi titik dengan ∫fn=1\int f_n = 1 dalam tiga cara: yakni lolos secara tinggi, secara lebar, dan ke tak hingga. Hipotesis tunggal mana pada kekonvergenan terdominasi yang dilanggar masing-masingnya? (c) Tunjukkan bahwa pada lema Fatou kita tak dapat mengganti lim inf⁡\liminf dengan lim sup⁡\limsup pada ruas mana pun.

Solusi

Solusi Latihan 10.3.

(a) fn=n 1(0, 1/n)f_n = n\,\mathbf 1_{\intoo0{1/n}}: maka lim inf⁡fn=0\liminf f_n = 0 secara titik demi titik, padahal ∫fn=1\int f_n = 1: sehingga 0<10 < 1.

(b) Secara tinggi: n1(0, 1/n)n\mathbf 1_{\intoo0{1/n}}; secara lebar: 1n1(0, n)\frac1n\mathbf 1_{\intoo0n}; lewat translasi: 1(n, n+1)\mathbf 1_{\intoo n{n+1}}. Semuanya menuju 00 secara titik demi titik dengan ∫=1\int = 1. Dalam setiap kasusnya, hipotesis dominasinya gagal: sebab sup⁡nfn\sup_nf_n bernilai ≈1/x\approx 1/x di dekat 00, ≈\approx sebuah profil konstan yang tak terintegralkan, dan mirip 1(1, ∞)\mathbf 1_{\intoo1\infty} — tak pernah terintegralkan.

(c) Pernyataan “∫lim sup⁡fn≥lim sup⁡∫fn\int\limsup f_n \geq \limsup\int f_n” gagal bagi gundukan yang bertranslasi: sebab ruas kirinya 00, ruas kanannya 11. Sedangkan “lim sup⁡∫≤∫lim sup⁡\limsup\int \leq \int\limsup” adalah pernyataan yang sama. Dan Fatou untuk lim sup⁡\limsup dengan ≤\leq yang terbalik (yakni “Fatou terbalik”) menuntut sebuah pendominasi — dan gundukan yang sama menjadi contoh penyangkalnya.

Latihan 10.4 ★★

(a) Tunjukkan bahwa ∫0+∞xex−1  ⁣dx=∑n≥11n2=π26\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{x}{\eu^x - 1}\,\dd x = \sum_{n\geq1}\frac1{n^2} = \frac{\pi^2}6 (uraikan 1ex−1\frac1{\eu^x - 1} menjadi deret geometri lalu integralkan suku demi suku — teorema mana yang mengizinkannya?). (b) (Mimpi mahasiswa tahun kedua) Tunjukkan bahwa ∫01x−x  ⁣dx=∑n≥1n−n\displaystyle\int_0^1 x^{-x}\,\dd x = \sum_{n\geq1}n^{-n}. (Tulislah x−x=e−xln⁡x=∑k(−xln⁡x)kk!x^{-x} = \eu^{-x\ln x} = \sum_k\frac{(-x\ln x)^k}{k!} lalu hitunglah ∫01(−xln⁡x)k ⁣dx\int_0^1(-x\ln x)^k\dd x dengan substitusi x=e−u/(k+1)x = \eu^{-u/(k+1)}, sambil mengenali Γ\Gamma.)

Solusi

Solusi Latihan 10.4.

(a) Untuk x>0x > 0: 1ex−1=e−x1−e−x=∑n≥1e−nx\frac1{\eu^x - 1} = \frac{\eu^{-x}}{1 - \eu^{-x}} = \sum_{n\geq1}\eu^{-nx}, sehingga xex−1=∑n≥1xe−nx\frac{x}{\eu^x - 1} = \sum_{n\geq1}x\eu^{-nx}, yakni deret berisi fungsi terukur tak negatif: sehingga Akibat 10.7 mengizinkan pengintegralan suku demi suku:

∫0∞x  ⁣dxex−1=∑n≥1∫0∞xe−nx ⁣dx=∑n≥11n2=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

(sebab ∫0∞xe−nx ⁣dx=n−2\int_0^\infty x\eu^{-nx}\dd x = n^{-2} lewat pengintegralan parsial; sedangkan Basel dari jilid Tahun ke-2, atau Latihan 13.5 yang akan datang).

(b) Pada (0, 1)\intoo01, −xln⁡x≥0-x\ln x \geq 0, sehingga x−x=e−xln⁡x=∑k(−xln⁡x)kk!x^{-x} = \eu^{-x\ln x} = \sum_k\frac{(-x\ln x)^k}{k!} merupakan deret bersuku tak negatif: jadi tukarkanlah lagi. Dengan substitusi x=e−u/(k+1)x = \eu^{-u/(k+1)}:

∫01(−xln⁡x)k ⁣dx=∫0∞(uk+1)ke−kuk+1  e−uk+1k+1  ⁣du=1(k+1)k+1∫0∞uke−u ⁣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}} .

Karena itu ∫01x−x ⁣dx=∑k≥01(k+1)k+1=∑n≥1n−n\int_0^1x^{-x}\dd x = \sum_{k\geq0}\frac{1}{(k+1)^{k+1}} = \sum_{n\geq1}n^{-n}: yakni mimpi mahasiswa tahun kedua, secara ketat.

Latihan 10.5 ★★

(a) Tunjukkan bahwa f≥0f \geq 0 yang terukur dengan ∫f  ⁣dμ=0\int f\,\dd\mu = 0 memenuhi f=0f = 0 hampir di mana-mana. (Tinjaulah {f≥1/n}\{f \geq 1/n\} dan ketaksamaan Markov: μ({f≥a})≤1a∫f\mu(\{f \geq a\}) \leq \frac1a\int f — lalu buktikanlah.) (b) Tunjukkan bahwa ff yang terintegralkan bernilai berhingga hampir di mana-mana. (c) Tunjukkan bahwa jika ∫Af  ⁣dμ=0\int_A f\,\dd\mu = 0 untuk setiap AA yang terukur, maka f=0f = 0 hampir di mana-mana.

Solusi

Solusi Latihan 10.5.

(a) Markov: a 1{f≥a}≤fa\,\mathbf 1_{\{f \geq a\}} \leq f, lalu integralkan: μ({f≥a})≤1a∫f\mu(\{f \geq a\}) \leq \frac1a\int f. Jika ∫f=0\int f = 0: maka μ({f≥1n})=0\mu(\{f \geq \frac1n\}) = 0 untuk setiap nn, dan {f>0}=⋃n{f≥1n}\{f > 0\} = \bigcup_n\{f \geq \frac1n\} bersifat nol.

(b) μ({∣f∣=∞})≤μ({∣f∣≥n})≤1n∫∣f∣→0\mu(\{\abs f = \infty\}) \leq \mu(\{\abs f \geq n\}) \leq \frac1n\int\abs f \to 0.

(c) Ambillah A={f>0}A = \{f > 0\}: maka ∫f+ ⁣dμ=∫Af  ⁣dμ=0\int f^+\dd\mu = \int_Af\,\dd\mu = 0, sehingga f+=0f^+ = 0 hampir di mana-mana menurut (a); dan demikian pula f−=0f^- = 0.

Latihan 10.6 ★★

(a) Terapkan Teorema 10.12 untuk memutuskan keterintegralan Riemann dari: 1Q\mathbf 1_\Q; fungsi Thomae; dan 1K\mathbf 1_K dengan KK sebuah himpunan Cantor gemuk (Latihan 9.5). (b) Tunjukkan bahwa ∫1+∞∣sin⁡xx∣  ⁣dx=+∞\int_1^{+\infty}\abs{\frac{\sin x}x}\,\dd x = +\infty, sedangkan lim⁡A→∞∫1Asin⁡xx  ⁣dx\lim_{A\to\infty}\int_1^A\frac{\sin x}x\,\dd x ada (integralkan secara parsial): yakni kekonvergenan tak wajar tanpa keterintegralan.

Solusi

Solusi Latihan 10.6.

(a) Fungsi 1Q\mathbf 1_\Q: tak kontinu di mana pun, sehingga tak terintegralkan Riemann (Teorema 10.12); sedangkan integral Lebesguenya λ(Q)=0\lambda(\Q) = 0. Fungsi Thomae: kontinu di setiap bilangan irasional (sebab diberikan ε\varepsilon, hanya berhingga banyak bilangan rasional di [0, 1]\intcc01 yang berpenyebut ≤1/ε\leq 1/\varepsilon; lalu hindarilah semuanya lewat persekitaran kecil), dan tak kontinu di bilangan rasional (menurut kepadatan bilangan irasional): jadi kontinu hampir di mana-mana, terintegralkan Riemann, dengan integral 00 (sebab ia lenyap hampir di mana-mana). Sedangkan 1K\mathbf 1_K dengan KK himpunan Cantor gemuk: himpunan ketakkontinuannya adalah ∂K=K\partial K = K (yang tertutup dengan interior kosong), berukuran 12>0\frac12 > 0: jadi tak terintegralkan Riemann — padahal terintegralkan Lebesgue dengan integral λ(K)=12\lambda(K) = \frac12.

(b) ∫kπ(k+1)π∣sin⁡x∣x ⁣dx≥1(k+1)π∫kπ(k+1)π∣sin⁡x∣ ⁣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}: sehingga deretnya divergen. Untuk kekonvergenan integral tak wajarnya: bila A>πA > \pi,

∫πAsin⁡xx ⁣dx=[−cos⁡xx]πA−∫πAcos⁡xx2 ⁣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,

dan kedua sukunya konvergen saat A→∞A \to \infty (sebab 1x2\frac1{x^2} terintegralkan): yakni kekonvergenan bersyarat tanpa keterintegralan mutlak.

Latihan 10.7 ★★

Benarkanlah bahwa F(t)=∫0+∞e−x2cos⁡(tx)  ⁣dxF(t) = \int_0^{+\infty}\eu^{-x^2}\cos(tx)\,\dd x bersifat C1\mathcal C^1 pada R\R dan memenuhi F′(t)=−t2F(t)F'(t) = -\frac t2F(t) (integralkan secara parsial); lalu simpulkan F(t)=F(0) e−t2/4F(t) = F(0)\,\eu^{-t^2/4}. (Dengan F(0)=π2F(0) = \frac{\sqrt\pi}2 dari soal akhir pekannya: fungsi Gauss pada dasarnya merupakan transformasi Fouriernya sendiri — dan Bab 14 akan menyistematiskannya.)

Solusi

Solusi Latihan 10.7.

Dominasinya: ∣∂t(e−x2cos⁡(tx))∣=∣xe−x2sin⁡(tx)∣≤xe−x2\abs{\partial_t(\eu^{-x^2}\cos(tx))} = \abs{x\eu^{-x^2}\sin(tx)} \leq x\eu^{-x^2}, yang terintegralkan dan tak bergantung pada tt: sehingga Teorema 10.15 berlaku secara global,

F′(t)=−∫0∞xe−x2sin⁡(tx)  ⁣dx=[12e−x2sin⁡(tx)]0∞−t2∫0∞e−x2cos⁡(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)

(lewat pengintegralan parsial dengan  ⁣dv=xe−x2 ⁣dx\dd v = x\eu^{-x^2}\dd x). Lalu persamaan diferensial linearnya memberikan F(t)=F(0)e−t2/4F(t) = F(0)\eu^{-t^2/4}; dan dengan F(0)=π2F(0) = \frac{\sqrt\pi}2 (Soal 10.1), fungsi Gauss mereproduksi dirinya di bawah transformasi kosinus ini.

Latihan 10.8 ★★★

(Frullani) Misalkan 0<a<b0 < a < b. Tunjukkan bahwa

∫0+∞e−ax−e−bxx  ⁣dx=ln⁡ba,\int_0^{+\infty}\frac{\eu^{-ax} - \eu^{-bx}}{x}\,\dd x = \ln\frac ba,

dengan menulis integrannya sebagai ∫abe−xt  ⁣dt\int_a^b \eu^{-xt}\,\dd t lalu membenarkan penukarannya lewat teori tak negatifnya (Akibat 10.7 dalam bentuk kontinu — dahuluilah Tonelli, atau irislah [a,b][a,b] menjadi nn bagian sama besar lalu ambil limitnya).

Solusi

Solusi Latihan 10.8.

Integralnya konvergen: sebab di dekat 00 integrannya menuju b−ab - a (yang terbatas), dan ia meluruh seperti e−ax\eu^{-ax} di tak hingga. Tetapkan aa lalu pandanglah I(b)=∫0∞e−ax−e−bxx ⁣dxI(b) = \int_0^\infty\frac{\eu^{-ax} - \eu^{-bx}}x\dd x sebagai fungsi b∈[a, +∞)b \in \intco a{+\infty}. Untuk setiap b≥ab \geq a: ∣∂b(integran)∣=e−bx≤e−ax\abs{\partial_b(\text{integran})} = \eu^{-bx} \leq \eu^{-ax}, dan ∫0∞e−ax ⁣dx=1a<∞\int_0^\infty\eu^{-ax}\dd x = \frac1a < \infty: yakni pendominasi yang terintegralkan. Sehingga Teorema 10.15 memberikan I′(b)=∫0∞e−bx ⁣dx=1bI'(b) = \int_0^\infty\eu^{-bx}\dd x = \frac1b, dengan I(a)=0I(a) = 0:

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

(Setara dengan itu, lewat jalur petunjuknya: integrannya adalah ∫abe−xt ⁣dt≥0\int_a^b\eu^{-xt}\dd t \geq 0 dan penukarannya merupakan analogi kontinu Akibat 10.7, yakni Tonelli — yang dibuktikan di Bab 11; sedangkan jalur parameternya tetap berada di dalam bab ini.)

Latihan 10.9 ★★

Misalkan f≥0f \geq 0 terukur pada (X,A,μ)(X, \mathcal A, \mu). Tunjukkan bahwa ν(A)=∫Af  ⁣dμ\nu(A) = \int_A f\,\dd\mu mendefinisikan sebuah ukuran (dengan kepadatan ff terhadap μ\mu), dan bahwa ∫g  ⁣dν=∫gf  ⁣dμ\int g\,\dd\nu = \int gf\,\dd\mu untuk setiap g≥0g \geq 0 yang terukur (buktikanlah untuk fungsi indikator, lalu fungsi sederhana, lalu pakai kekonvergenan monoton — yakni mesin bakunya).

Solusi

Solusi Latihan 10.9.

Berlaku ν(∅)=0\nu(\varnothing) = 0; lalu untuk (An)(A_n) yang saling lepas, f1⨆An=∑nf1Anf\mathbf 1_{\bigsqcup A_n} = \sum_nf\mathbf 1_{A_n} (secara titik demi titik, dengan semua sukunya ≥0\geq 0), dan Akibat 10.7 memberikan keaditifan-σ\sigma-nya. Untuk rumus ∫g  ⁣dν=∫gf  ⁣dμ\int g\,\dd\nu = \int gf\,\dd\mu: bila g=1Ag = \mathbf 1_A ia adalah definisi ν\nu; bila gg sederhana, lewat kelinearannya; sedangkan bila g≥0g \geq 0 terukur, ambillah sn↗gs_n \nearrow g yang sederhana (Teorema 10.4): maka snf↗gfs_nf \nearrow gf, dan kekonvergenan monoton pada kedua ruasnya mengalihkannya ke limitnya. (Eskalator “indikator →\to sederhana →\to kekonvergenan monoton” inilah mesin baku teorinya.)

Latihan 10.10 ★★★

(Sebuah kegagalan bergaya Weierstrass) Definisikan f(t)=∫0+∞sin⁡(tx)x(1+x2)  ⁣dxf(t) = \int_0^{+\infty}\frac{\sin(tx)}{x(1 + x^2)}\,\dd x. (a) Tunjukkan bahwa ff terdefinisi dengan baik dan kontinu pada R\R, serta bersifat C1\mathcal C^1 dengan f′(t)=∫0∞cos⁡(tx)1+x2 ⁣dxf'(t) = \int_0^\infty\frac{\cos(tx)}{1 + x^2}\dd x untuk setiap tt — tetapi bahwa menurunkannya sekali lagi di bawah integralnya tidak sah. (b) Dengan menerima f′(t)=π2e−tf'(t) = \frac\pi2\eu^{-t} untuk t>0t > 0 (yang dibuktikan di Bab 17), berapakah ∫0∞xsin⁡(tx)1+x2 ⁣dx\int_0^\infty\frac{x\sin(tx)}{1+x^2}\dd x untuk t>0t > 0, dan mengapa rumusnya membenarkan kegagalan pada (a)?

Solusi

Solusi Latihan 10.10.

(a) Dari ∣sin⁡(tx)∣≤∣t∣x\abs{\sin(tx)} \leq \abs tx diperoleh ∣sin⁡(tx)x(1+x2)∣≤∣t∣1+x2\abs{\frac{\sin(tx)}{x(1+x^2)}} \leq \frac{\abs t}{1+x^2}: sehingga integralnya konvergen, dan pada ∣t∣≤T\abs t \leq T pendominasi T1+x2\frac{T}{1+x^2} melahirkan kekontinuannya (Teorema 10.14). Untuk pendiferensialannya: ∣∂t∣=∣cos⁡(tx)1+x2∣≤11+x2\abs{\partial_t} = \abs{\frac{\cos(tx)}{1+x^2}} \leq \frac1{1+x^2}, yang terintegralkan: sehingga f′(t)=∫0∞cos⁡(tx)1+x2 ⁣dxf'(t) = \int_0^\infty\frac{\cos(tx)}{1+x^2}\dd x untuk setiap tt. Sedangkan pendiferensialan kedua akan menuntut pengintegralan xsin⁡(tx)1+x2\frac{x\sin(tx)}{1 + x^2}, yang nilai mutlaknya berperilaku seperti ∣sin⁡(tx)∣x\frac{\abs{\sin(tx)}} x di tak hingga: jadi tak terintegralkan — sehingga tak ada pendominasi dan Teorema 10.15 tak dapat diterapkan lagi.

(b) Dengan menerima f′(t)=π2e−tf'(t) = \frac\pi2\eu^{-t} untuk t>0t > 0: menurut kegasalan ff, f′f' bersifat genap, sehingga f′(t)=π2e−∣t∣f'(t) = \frac\pi2\eu^{-\abs t} — yang tak dapat diturunkan di 00: jadi ff bersifat C1\mathcal C^1 tetapi bukan C2\mathcal C^2, yang membenarkan bahwa pendiferensialan kedua yang terhalang itu bukan kecelakaan teknis. Untuk t>0t > 0 integral tak wajar ∫0∞xsin⁡(tx)1+x2 ⁣dx\int_0^\infty\frac{x\sin(tx)}{1+x^2}\dd x sama dengan −f′′(t)=π2e−t-f''(t) = \frac\pi2\eu^{-t} (dengan menurunkan rumus yang diterima itu di tempat yang sah, yakni pada (0, ∞)\intoo0\infty) — yaitu nilai tak wajar yang bukan nilai Lebesgue.

Latihan 10.11 ★★

(Lema Scheffé) Misalkan fn,f≥0f_n, f \geq 0 terintegralkan dengan fn→ff_n \to f hampir di mana-mana dan ∫fn→∫f\int f_n \to \int f. (a) Tunjukkan bahwa ∫∣fn−f∣→0\int\abs{f_n - f} \to 0. (Terapkan kekonvergenan terdominasi pada gn=(f−fn)+≤fg_n = (f - f_n)^+ \leq f, lalu tulislah ∫∣fn−f∣=2∫gn−∫(f−fn)\int\abs{f_n - f} = 2\int g_n - \int(f - f_n).) (b) Tunjukkan lewat contoh bahwa hipotesis ∫fn→∫f\int f_n \to \int f tak dapat dibuang (yakni gundukan yang meluncur atau memusat), dan bahwa kesimpulannya gagal bagi fnf_n bertanda tanpa kendali nilai mutlak: sebab fn=n1(0, 1/n]−n1(−1/n, 0]f_n = n\mathbf 1_{\intoc0{1/n}} - n\mathbf 1_{\intoc{-1/n}0} mempunyai fn→0f_n \to 0 hampir di mana-mana, ∫fn=0→0\int f_n = 0 \to 0, padahal ∫∣fn∣=2\int\abs{f_n} = 2. (c) Terapannya (pada kepadatan): jika kepadatan peluang pn→pp_n \to p hampir di mana-mana, maka dengan sendirinya ∫∣pn−p∣→0\int\abs{p_n - p} \to 0: yakni kekonvergenan titik demi titik kepadatannya adalah kekonvergenan L1L^1 — sebuah peningkatan kekonvergenan secara cuma-cuma.

Solusi

Solusi Latihan 10.11.

(a) Misalkan gn=(f−fn)+g_n = (f - f_n)^+: maka 0≤gn≤f0 \leq g_n \leq f (menurut kepositifan fnf_n), gn→0g_n \to 0 hampir di mana-mana, dan ff merupakan pendominasi yang terintegralkan: sehingga ∫gn→0\int g_n \to 0 (lewat kekonvergenan terdominasi). Karena ∣fn−f∣=2(f−fn)+−(f−fn)\abs{f_n - f} = 2(f - f_n)^+ - (f - f_n), maka

∫∣fn−f∣=2∫gn−(∫f−∫fn)⟶0+0.\int\abs{f_n - f} = 2\int g_n - \Bigl(\int f - \int f_n\Bigr) \longrightarrow 0 + 0 .

(b) Gundukan yang meluncur fn=1[n, n+1]f_n = \mathbf 1_{\intcc n{n+1}} mempunyai fn→0f_n \to 0 hampir di mana-mana dan ∫fn=1↛0\int f_n = 1 \not\to 0: jadi tanpa kekonvergenan integralnya, kekonvergenan L1L^1-nya gagal (dan begitu pula hipotesisnya). Untuk contoh bertandanya: fn→0f_n \to 0 di setiap x≠0x \neq 0, ∫fn=0\int f_n = 0, tetapi ∫∣fn∣=2\int\abs{f_n} = 2: sehingga bagi barisan bertanda teoremanya sungguh berkenaan dengan kendali bertipe ∣fn∣\abs{f_n}, dan kepositifannya dipakai persis pada gn≤fg_n \leq f.

(c) Kerapatan memenuhi ∫pn=1=∫p\int p_n = 1 = \int p: sehingga hipotesis (a) berlaku dengan sendirinya, jadi pn→pp_n \to p hampir di mana-mana memaksa ∥pn−p∥L1→0\norm{p_n - p}_{L^1} \to 0 — dan karena itu kekonvergenan peluang ∫Apn→∫Ap\int_Ap_n \to \int_Ap berlaku secara seragam atas semua AA yang terukur (sebab ∣∫A(pn−p)∣≤∥pn−p∥1\abs{\int_A(p_n - p)} \leq \norm{p_n - p}_1): jadi Scheffé mengubah kekonvergenan titik demi titik kepadatan menjadi kekonvergenan variasi total hukumnya.

Latihan 10.12 ★★

Limit klasik, dengan pembenaran penuh lewat kekonvergenan monoton/terdominasi:

(a) lim⁡n→∞∫0n(1−xn)nex/2  ⁣dx,(b) lim⁡n→∞∫01n xn−11+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) lim⁡n→∞∫0∞ ⁣dx(1+x/n)n x1/n.\text{(c)}\ \lim_{n\to\infty}\int_0^\infty \frac{\dd x}{(1 + x/n)^n\,x^{1/n}} .

(Untuk (a): (1−x/n)n↗e−x(1 - x/n)^n \nearrow \eu^{-x} untuk xx yang tetap — buktikan kemonotonannya lewat log⁡\log; untuk (b), integralkan secara parsial atau substitusikan x=u1/nx = u^{1/n} lalu kenali pemusatan di ujungnya; sedangkan untuk (c), carilah pendominasi terintegralkan yang berlaku untuk setiap n≥2n \geq 2 dengan memecahnya di x=1x = 1.)

Solusi

Solusi Latihan 10.12.

(a) Pada (0, n)\intoo0n, φn(x)=nlog⁡(1−xn)\varphi_n(x) = n\log(1 - \frac xn) naik terhadap nn menuju −x-x (sebab pemetaan t↦log⁡(1−xt)tt \mapsto \frac{\log(1 - xt)}{t} turun saat t=1n↓0t = \frac1n \downarrow 0; atau uraikanlah: φn′≥0\varphi_{n}' \geq 0 terhadap nn lewat log⁡(1−u)+u1−u≥0\log(1-u) + \frac{u}{1-u} \geq 0). Jadi (1−xn)nex/21x<n↗e−x/2(1 - \frac xn)^n\eu^{x/2}\mathbf 1_{x<n} \nearrow \eu^{-x/2}, dan kekonvergenan monotonnya memberikan

lim⁡n∫0n(1−xn)nex/2 ⁣dx=∫0∞e−x/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) Substitusikan u=xnu = x^n (dengan x=u1/nx = u^{1/n} dan nxn−1 ⁣dx= ⁣dun x^{n-1}\dd x = \dd u):

∫01nxn−11+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}} .

Untuk u∈(0, 1)u \in \intoo01: u1/n→1u^{1/n} \to 1, sehingga integrannya menuju 12\frac12, dan terdominasi oleh 11: jadi limitnya 12\frac12 (lewat kekonvergenan terdominasi). (Massa nxn−1nx^{n-1} memusat di x=1x = 1, tempat 11+x=12\frac1{1+x} = \frac12: dan substitusinya membuat pemusatan itu terlihat.)

(c) Secara titik demi titik, (1+x/n)n↗ex(1 + x/n)^n \nearrow \eu^x dan x1/n→1x^{1/n} \to 1 (untuk x>0x > 0): sehingga integrannya menuju e−x\eu^{-x}. Pendominasi untuk n≥2n \geq 2: pada (0, 1]\intoc01, x−1/n≤x−1/2x^{-1/n} \leq x^{-1/2} dan (1+x/n)−n≤1(1 + x/n)^{-n} \leq 1: sehingga batasnya x−1/2x^{-1/2}, yang terintegralkan; sedangkan pada (1, ∞)\intoo1\infty, x−1/n≤1x^{-1/n} \leq 1 dan (1+x/n)n≥1+(n2)x2n2≥1+x24(1 + x/n)^n \geq 1 + \binom n2\frac{x^2}{n^2} \geq 1 + \frac{x^2}4: sehingga batasnya 44+x2\frac{4}{4 + x^2}, yang terintegralkan. Lewat kekonvergenan terdominasi:

lim⁡n∫0∞ ⁣dx(1+x/n)nx1/n=∫0∞e−x ⁣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 Soal: dua integral yang termasyhur

Soal 10.1

Soal akhir pekan — integral Gauss dan integral Dirichlet, lewat parameter belaka

Dua integral menguasai analisis terapan:

G=∫−∞+∞e−x2 ⁣dx=π,D=∫0+∞sin⁡xx  ⁣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

(dengan yang kedua sebagai integral tak wajar, Contoh 10.13). Keduanya kita buktikan memakai perkakas bab ini saja.

Bagian I — Fungsi Gauss. Untuk t≥0t \geq 0 tetapkan

A(t)=(∫0te−x2 ⁣dx)2,B(t)=∫01e−t2(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. Benarkanlah bahwa AA dan BB bersifat C1\mathcal C^1 pada (0, +∞)\intoo0{+\infty} lalu hitunglah A′A' dan B′B'; lalu tunjukkan A′(t)+B′(t)=0A'(t) + B'(t) = 0. (Pada B′B', substitusikan u=txu = tx.)
  2. Hitunglah A(0)+B(0)A(0) + B(0) dan lim⁡t→+∞(A+B)(t)\lim_{t\to+\infty}(A + B)(t) — lalu benarkan limit di bawah integralnya pada BB.
  3. Simpulkan ∫0∞e−x2 ⁣dx=π2\int_0^\infty \eu^{-x^2}\dd x = \frac{\sqrt\pi}2, sehingga G=πG = \sqrt\pi, lalu turunkan Γ(12)=π\Gamma(\tfrac12) = \sqrt\pi (substitusikan x=u2x = u^2 pada Γ(12)\Gamma(\frac12)).

Bagian II — Integral Dirichlet. Untuk t≥0t \geq 0 tetapkan

F(t)=∫0+∞e−tx sin⁡xx  ⁣dx.F(t) = \int_0^{+\infty}\eu^{-tx}\,\frac{\sin x}{x}\,\dd x .
  1. Tunjukkan bahwa integral pendefinisi F(t)F(t) konvergen untuk setiap t>0t > 0 sebagai integral Lebesgue, dan untuk t=0t = 0 sebagai integral tak wajar; lalu tunjukkan bahwa D=lim⁡A→∞∫0Asin⁡xx ⁣dxD = \lim_{A\to\infty}\int_0^A\frac{\sin x}x\dd x ada (integralkan secara parsial pada [π,A][\pi, A]).
  2. Tunjukkan bahwa FF bersifat C1\mathcal C^1 pada (0, +∞)\intoo0{+\infty} dengan

    F′(t)=−∫0+∞e−txsin⁡x  ⁣dx=−11+t2F'(t) = -\int_0^{+\infty}\eu^{-tx}\sin x\,\dd x = -\frac{1}{1 + t^2}

    (dengan dominasi pada [t0,∞)[t_0, \infty) untuk setiap t0>0t_0 > 0; sedangkan integral terakhirnya lewat dua kali pengintegralan parsial atau lewat eksponensial kompleks).

  3. Tunjukkan bahwa F(t)→0F(t) \to 0 saat t→+∞t \to +\infty, lalu turunkan F(t)=π2−arctan⁡tF(t) = \frac\pi2 - \arctan t pada (0, +∞)\intoo0{+\infty}.
  4. Titik pelik: D=lim⁡t→0+F(t)D = \lim_{t\to0^+}F(t). Buktikanlah lewat kendali seragam atas ekornya: yakni untuk 0≤t≤10 \leq t \leq 1 dan A≥πA \geq \pi, integralkan secara parsial untuk menunjukkan bahwa

    ∣∫A+∞e−txsin⁡xx  ⁣dx∣≤CA\Bigl|\int_A^{+\infty}\eu^{-tx}\frac{\sin x}x\,\dd x\Bigr| \leq \frac{C}{A}

    dengan CC yang tak bergantung pada tt (turunkan e−txx\frac{\eu^{-tx}}x lalu batasi ∣cos⁡∣\abs{\cos} oleh 11; perhatikan te−tx≤1/x⋅(txe−tx)t\eu^{-tx} \leq 1/x\cdot(tx\eu^{-tx}) dengan sup⁡u≥0ue−u<1\sup_{u\geq0}u\eu^{-u} < 1); lalu pecahlah F(t)−DF(t) - D menjadi [0,A][0, A] (tempat kekonvergenan terdominasinya berlaku saat t→0t \to 0) dan [A,∞)[A, \infty).

  5. Simpulkan: D=π2D = \frac\pi2.

Bagian III — Buah hasilnya.

  1. Hitunglah ∫0+∞sin⁡2xx2  ⁣dx\int_0^{+\infty}\frac{\sin^2x}{x^2}\,\dd x (integralkan secara parsial lalu susutkan ke DD lewat sin⁡2x=2sin⁡xcos⁡x\sin 2x = 2\sin x\cos x).
  2. Hitunglah ∫0+∞1−cos⁡xx2  ⁣dx\int_0^{+\infty}\frac{1 - \cos x}{x^2}\,\dd x, lalu periksa kekonsistenan kedua hasilnya.
  3. Untuk a>0a > 0, hitunglah ∫0+∞sin⁡(ax)x ⁣dx\int_0^{+\infty}\frac{\sin(ax)}x\dd x dan ∫−∞+∞e−ax2 ⁣dx\int_{-\infty}^{+\infty}\eu^{-ax^2}\dd x, lalu catat aturan penskalaannya (yang akan menjadi kuda beban Bab 14).
  4. Terangkan dengan tepat mengapa DD tak dapat ditangani langsung oleh kekonvergenan terdominasi di t=0t = 0 (sebab tak ada pendominasi terintegralkan pada [0,1]×[0,∞)[0,1]\times[0,\infty)), dan mengapa pemecahan ekor pada pertanyaan 7 merupakan penggantinya yang jujur — sebab pola ini (yakni “keterintegralan seragam atas ekornya”) berulang di sepanjang analisis.

Bagian IV — Fungsi Gamma menurut Bohr dan Mollerup. Fungsi Γ\Gamma (Contoh 10.16) memenuhi Γ(1)=1\Gamma(1) = 1 dan Γ(x+1)=xΓ(x)\Gamma(x+1) = x\Gamma(x) — tetapi demikian pula tak berhingga banyak fungsi lain (kalikan saja dengan goyangan berperiode 11 apa pun). Satu syarat kecembungan memakukan Γ\Gamma secara tunggal, dan identitasnya yang lebih dalam lalu jatuh secara mekanis. Sebuah fungsi positif ff pada sebuah selang disebut log-cembung jika log⁡f\log f cembung.

  1. Tunjukkan bahwa log-cembung mengakibatkan cembung, bahwa hasil kali fungsi log-cembung dan komposisinya dengan pemetaan afin bersifat log-cembung, dan — lewat ketaksamaan Hölder dua fungsi ∫∣uv∣≤(∫∣u∣p)1/p(∫∣v∣q)1/q\int\abs{uv} \leq \bigl(\int\abs u^p\bigr)^{1/p}\bigl(\int\abs v^q\bigr)^{1/q}, yang dibuktikan langsung dari ketaksamaan Young — bahwa Γ\Gamma bersifat log-cembung pada (0, ∞)\intoo0\infty.
  2. (Lema kemiringan) Misalkan gg cembung pada (0, ∞)\intoo0\infty dengan g(n+1)−g(n)=log⁡ng(n+1) - g(n) = \log n untuk setiap bilangan bulat n≥1n \geq 1. Untuk x∈(0, 1]x \in \intoc01 dan n≥2n \geq 2, bandingkanlah kemiringan gg sepanjang [n−1,n][n-1, n], [n,n+x][n, n+x] dan [n,n+1][n, n+1], lalu turunkan

    xlog⁡(n−1)  ≤  g(n+x)−g(n)  ≤  xlog⁡n.x\log(n-1) \;\leq\; g(n + x) - g(n) \;\leq\; x\log n .
  3. (Bohr–Mollerup) Misalkan f>0f > 0 memenuhi f(1)=1f(1) = 1, f(x+1)=xf(x)f(x+1) = xf(x), dan log⁡f\log f cembung. Dengan mengurai rekursinya menjadi f(n+x)=x(x+1)⋯(x+n−1) f(x)f(n + x) = x(x+1)\cdots(x + n - 1)\,f(x) dan f(n)=(n−1)!f(n) = (n-1)!, turunkanlah dari pertanyaan 14 bahwa untuk x∈(0, 1]x \in \intoc01 berlaku

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

    sehingga ff tunggal, jadi f=Γf = \Gamma, dan rumus limit Gauss berlaku (perluaslah ke setiap x>0x > 0 lewat rekursinya).

  4. Definisikan fungsi Beta B(x,y)=∫01tx−1(1−t)y−1  ⁣dtB(x, y) = \int_0^1t^{x-1}(1-t)^{y-1}\,\dd t (dengan x,y>0x, y > 0). Buktikanlah kekonvergenannya, rekursi B(x+1,y)=xx+y B(x,y)B(x+1, y) = \frac{x}{x+y}\,B(x, y) (integralkan secara parsial), dan B(1,y)=1yB(1, y) = \frac1y.
  5. Tunjukkan bahwa x↦B(x,y)x \mapsto B(x, y) bersifat log-cembung (lewat Hölder lagi), lalu terapkan Bohr–Mollerup pada

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

    untuk menyimpulkan rumus Euler: B(x,y)=Γ(x)Γ(y)Γ(x+y)B(x, y) = \dfrac{\Gamma(x)\Gamma(y)}{\Gamma(x+y)} — tanpa integral rangkap di mana pun.

  6. Hitunglah B(12,12)B(\frac12, \frac12) secara langsung (substitusikan t=sin⁡2θt = \sin^2\theta) lalu turunkan Γ(12)=π\Gamma(\frac12) = \sqrt\pi: yakni integral Gauss pada Bagian I, yang dipulihkan oleh kecembungan belaka. Bandingkan kedua buktinya dalam satu kalimat masing-masing.
  7. (Penggandaan Legendre) Tunjukkan bahwa

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

    memenuhi ketiga hipotesis Bohr–Mollerup, lalu simpulkan g=Γg = \Gamma, yakni Γ(2z)=22z−1π Γ(z) Γ(z+12)\Gamma(2z) = \frac{2^{2z-1}}{\sqrt\pi}\,\Gamma(z)\,\Gamma(z + \tfrac12) untuk setiap z>0z > 0.

  8. Turunkan bentuk tertutup Γ(n+12)=(2n)!4n n!π\Gamma\bigl(n + \tfrac12\bigr) = \dfrac{(2n)!}{4^n\,n!}\sqrt\pi, lalu buktikan, lewat lema kemiringan yang diterapkan pada log⁡Γ\log\Gamma di sekitar bilangan bulat yang besar, keasimtotikan

    Γ(n+12)Γ(n) n⟶1.\frac{\Gamma(n + \frac12)}{\Gamma(n)\,\sqrt n} \longrightarrow 1 .
  9. Gabungkan kedua pertanyaan terakhir menjadi keasimtotikan binomial pusat

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

    lalu periksalah secara numerik untuk n=10n = 10 (dengan (2010)=184756\binom{20}{10} = 184756, terhadap 410/10π≈1870794^{10}/\sqrt{10\pi} \approx 187079: yakni nisbah ≈0.988\approx 0.988).

  10. (Sintesis) Konstanta π\sqrt\pi kini telah muncul sebagai integral Gauss (Bagian I), sebagai B(12,12)B(\frac12, \frac12) (pertanyaan 18), dan di dalam penggandaannya (pertanyaan 19); sedangkan taksiran binomial pusatnya mendahului baik Stirling (yakni soal akhir pekan Bab 11) maupun de Moivre–Laplace. Petakanlah hubungannya: pernyataan mana setara dengan yang mana, dan apa yang disumbangkan masing-masing teknik — pendiferensialan di bawah integral lawan kecembungan — yang tak dapat disumbangkan yang lain?

Bagian V — Tiga buah hasil lagi.

  1. (Wallis, lewat Beta) Untuk p>−1p > -1, substitusikan t=sin⁡2θt = \sin^2\theta untuk menunjukkan bahwa

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

    lalu turunkan dari rekursi Betanya (pertanyaan 16) bahwa Wn+2=n+1n+2 WnW_{n+2} = \frac{n+1}{n+2}\,W_n untuk bilangan bulat n≥0n \geq 0. Hitunglah W2nW_{2n} dan W2n+1W_{2n+1} dalam bentuk tertutup, tunjukkan W2n+1/W2n→1W_{2n+1}/W_{2n} \to 1 lewat penjepitan, lalu simpulkan dengan hasil kali Wallis

    π2=lim⁡n→∞∏k=1n4k24k2−1.\frac\pi2 = \lim_{n\to\infty} \prod_{k=1}^{n}\frac{4k^2}{4k^2 - 1} .
  2. (Fungsi Gauss berjumpa sebuah frekuensi) Untuk b∈Rb \in \R tetapkan

    Φ(b)=∫−∞+∞e−x2cos⁡(2bx)  ⁣dx.\Phi(b) = \int_{-\infty}^{+\infty} \eu^{-x^2}\cos(2bx)\,\dd x .

    Tunjukkan bahwa Φ\Phi bersifat C1\mathcal C^1 pada R\R, bahwa sebuah pengintegralan parsial melahirkan persamaan diferensial Φ′(b)=−2b Φ(b)\Phi'(b) = -2b\,\Phi(b), lalu simpulkan

    Φ(b)=π e−b2:\Phi(b) = \sqrt\pi\,\eu^{-b^2} :

    sehingga fungsi Gauss mereproduksi dirinya di bawah transformasi ini — yakni satu-satunya identitas yang akan menjalankan Bab 14.

  3. (Integral Frullani) Untuk 0<a<b0 < a < b, tunjukkan bahwa

    ∫0+∞e−ax−e−bxx  ⁣dx=log⁡ba,\int_0^{+\infty} \frac{\eu^{-ax} - \eu^{-bx}}{x}\,\dd x = \log\frac ba ,

    dengan menurunkannya terhadap parameter aa (benarkanlah dominasinya pada setiap [a0, +∞)\intco{a_0}{+\infty}, dengan a0>0a_0 > 0, lalu kenali konstantanya dengan membiarkan a→ba \to b). Di manakah tepatnya integrannya memerlukan kesingularan terhapuskannya di x=0x = 0?

Solusi

Solusi Soal 10.1.

1. Fungsi AA bersifat C1\mathcal C^1 menurut teorema fundamental kalkulus dan aturan rantai: A′(t)=2e−t2∫0te−x2 ⁣dxA'(t) = 2\eu^{-t^2}\int_0^t\eu^{-x^2}\dd x. Untuk BB: ∂t(e−t2(1+x2)1+x2)=−2t e−t2(1+x2)\partial_t\bigl(\frac{\eu^{-t^2(1+x^2)}}{1+x^2}\bigr) = -2t\,\eu^{-t^2(1+x^2)}, yang kontinu dan terbatas pada [t0,T]×[0, 1][t_0, T] \times \intcc01 untuk sembarang 0<t0<T0 < t_0 < T (sebab dominasi terbatas pada ruang berukuran berhingga sudah cukup): jadi BB bersifat C1\mathcal C^1 pada (0, +∞)\intoo0{+\infty} dengan

B′(t)=−2t∫01e−t2(1+x2) ⁣dx=−2e−t2∫01t e−(tx)2 ⁣dx=−2e−t2∫0te−u2 ⁣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)

(lewat substitusi u=txu = tx).

2. Berlaku A(0)=0A(0) = 0 dan B(0)=∫01 ⁣dx1+x2=π4B(0) = \int_0^1\frac{\dd x}{1+x^2} = \frac\pi4. Lalu A+BA + B berturunan nol pada (0, +∞)\intoo0{+\infty} dan kontinu di 00 (BB lewat dominasi 11+x2\frac1{1+x^2} dan Teorema 10.14): sehingga A+B≡π4A + B \equiv \frac\pi4. Saat t→+∞t\to+\infty: 0≤B(t)≤e−t2→00 \leq B(t) \leq \eu^{-t^2} \to 0, dan A(t)→(∫0∞e−x2 ⁣dx)2A(t) \to \bigl(\int_0^\infty\eu^{-x^2}\dd x\bigr)^2 (lewat kekonvergenan monoton atau sekadar kekonvergenan monoton integral dalamnya).

3. Karena itu (∫0∞e−x2 ⁣dx)2=π4\bigl(\int_0^\infty\eu^{-x^2}\dd x\bigr)^2 = \frac\pi4: sehingga ∫0∞e−x2 ⁣dx=π2\int_0^\infty\eu^{-x^2}\dd x = \frac{\sqrt\pi}2, dan menurut kegenapannya G=πG = \sqrt\pi. Selain itu Γ(12)=∫0∞x−1/2e−x ⁣dx=x=u22∫0∞e−u2 ⁣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. Untuk t>0t > 0: ∣e−txsin⁡xx∣≤e−tx\abs{\eu^{-tx}\frac{\sin x}x} \leq \eu^{-tx}, yang terintegralkan. Untuk t=0t = 0, kekonvergenan tak wajarnya: pada [π,A][\pi, A],

∫πAsin⁡xx ⁣dx=[−cos⁡xx]πA−∫πAcos⁡xx2 ⁣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,

dengan kedua sukunya konvergen saat A→∞A \to \infty; sedangkan di dekat 00 integrannya diperluas secara kontinu oleh 11.

5. Pada [t0,+∞)[t_0, +\infty) (dengan t0>0t_0 > 0): ∣∂t(e−txsin⁡xx)∣=e−tx∣sin⁡x∣≤e−t0x\abs{\partial_t\bigl(\eu^{-tx}\tfrac{\sin x}x\bigr)} = \eu^{-tx}\abs{\sin x} \leq \eu^{-t_0x}, yang terintegralkan: sehingga Teorema 10.15 berlaku pada setiap selang semacam itu, jadi pada seluruh (0, +∞)\intoo0{+\infty}:

F′(t)=−∫0∞e−txsin⁡x  ⁣dx=−Im⁡∫0∞e−(t−i)x ⁣dx=−Im⁡1t−i=−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. Berlaku ∣F(t)∣≤∫0∞e−tx ⁣dx=1t→0\abs{F(t)} \leq \int_0^\infty\eu^{-tx}\dd x = \frac1t \to 0. Lalu dengan mengintegralkan F′=−11+t2F' = -\frac1{1+t^2}: F(t)=C−arctan⁡tF(t) = C - \arctan t, dan t→∞t \to \infty memaksa C=π2C = \frac\pi2: sehingga F(t)=π2−arctan⁡tF(t) = \frac\pi2 - \arctan t pada (0, +∞)\intoo0{+\infty}.

7. Integralkan secara parsial pada [A,R][A, R] dengan sin⁡x=(−cos⁡x)′\sin x = (-\cos x)' lalu biarkan R→∞R \to \infty:

∫A∞e−txsin⁡xx ⁣dx=cos⁡A  e−tAA−∫A∞cos⁡x (tx+1x2)e−tx ⁣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 .

Dengan membatasi ∣cos⁡∣≤1\abs{\cos} \leq 1: suku pertamanya ≤1A\leq \frac1A; sedangkan integralnya paling banyak ∫A∞te−tx ⁣dxx+∫A∞ ⁣dxx2≤1A∫0∞te−tx ⁣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. Totalnya: ≤3A\leq \frac 3A, secara seragam untuk t∈[0,1]t \in [0, 1] (termasuk kasus t=0t = 0). Kini

∣F(t)−D∣≤∣∫0A(e−tx−1) sin⁡xx  ⁣dx∣+6A.\abs{F(t) - D} \leq \Bigl|\int_0^A(\eu^{-tx} - 1)\,\frac{\sin x}x\,\dd x\Bigr| + \frac6A .

Pada [0,A][0, A]: ∣e−tx−1∣≤tx≤tA\abs{\eu^{-tx} - 1} \leq tx \leq tA dan ∣sin⁡xx∣≤1\abs{\frac{\sin x}x} \leq 1, sehingga suku pertamanya paling banyak tA2tA^2. Pilihlah AA dengan 6A<ε\frac6A < \varepsilon, lalu t<ε/A2t < \varepsilon/A^2: sehingga ∣F(t)−D∣<2ε\abs{F(t) - D} < 2\varepsilon.

8. Karena itu D=lim⁡t→0+F(t)=lim⁡t→0+(π2−arctan⁡t)=π2D = \lim_{t\to0^+}F(t) = \lim_{t\to0^+}\bigl(\frac\pi2 - \arctan t\bigr) = \frac\pi2.

9. Lewat pengintegralan parsial (dengan u=sin⁡2xu = \sin^2x dan v′=x−2v' = x^{-2}):

∫0∞sin⁡2xx2 ⁣dx=[−sin⁡2xx]0∞+∫0∞2sin⁡xcos⁡xx ⁣dx=∫0∞sin⁡2xx ⁣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

(substitusikan u=2xu = 2x pada langkah terakhirnya; sedangkan suku batasnya lenyap: sebab sin⁡2x/x→0\sin^2 x/x \to 0 di kedua ujungnya).

10. Lewat pengintegralan parsial (dengan u=1−cos⁡xu = 1 - \cos x dan v′=x−2v' = x^{-2}): ∫0∞1−cos⁡xx2 ⁣dx=∫0∞sin⁡xx ⁣dx=π2\int_0^\infty\frac{1 - \cos x}{x^2}\dd x = \int_0^\infty\frac{\sin x}x\dd x = \frac\pi2. Kekonsistenannya: 1−cos⁡x=2sin⁡2x21 - \cos x = 2\sin^2\frac x2, dan substitusi x=2ux = 2u mengubah ∫2sin⁡2(x/2)x2 ⁣dx\int\frac{2\sin^2(x/2)}{x^2}\dd x menjadi ∫sin⁡2uu2 ⁣du\int\frac{\sin^2u}{u^2}\dd u: sehingga kedua perhitungannya bersesuaian.

11. Berlaku ∫0∞sin⁡(ax)x ⁣dx=π2\int_0^\infty\frac{\sin(ax)}x\dd x = \frac\pi2 untuk setiap a>0a > 0 (substitusikan u=axu = ax: sebab integralnya invarian terhadap penskalaan); sedangkan ∫Re−ax2 ⁣dx=π/a\int_\R\eu^{-ax^2}\dd x = \sqrt{\pi/a} (substitusikan u=a xu = \sqrt a\,x). Jadi penskalaan pada argumennya membiarkan integral Dirichletnya tetap dan membagi integral Gaussnya dengan a\sqrt a.

12. Sebuah pendominasi yang berlaku untuk setiap t∈[0,1]t \in [0,1] harus mendominasi sup⁡t∈[0,1]∣e−txsin⁡xx∣=∣sin⁡xx∣\sup_{t\in[0,1]}\abs{\eu^{-tx}\frac{\sin x}x} = \abs{\frac{\sin x}x}, yang tak terintegralkan (Latihan 10.6): sehingga kekonvergenan terdominasinya tak dapat menyeberangi t=0t = 0. Sedangkan pengganti pada pertanyaan 7 — yakni ekor yang seragam kecil terhadap parameternya, dengan bagian kompaknya ditangani kekonvergenan terdominasi — merupakan pola “keterintegralan seragam” yang baku, dan ia muncul kembali setiap kali kekonvergenan bersyarat berjumpa penukaran limit.

13. Jika g=log⁡fg = \log f cembung maka f=exp⁡∘gf = \exp\circ g cembung (sebab eksponensial cembung dan naik: f(λx+(1−λ)y)≤eλg(x)+(1−λ)g(y)≤λf(x)+(1−λ)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), dengan langkah terakhirnya lewat kecembungan eksponensial di antara titik g(x),g(y)g(x), g(y)). Untuk hasil kali dan substitusi afinnya: logaritmanya mengubahnya menjadi jumlah dan substitusi afin fungsi cembung. Hölder (dengan 1p+1q=1\frac1p + \frac1q = 1): untuk ∫∣u∣p=∫∣v∣q=1\int\abs u^p = \int\abs v^q = 1, Young memberikan ∣uv∣≤∣u∣pp+∣v∣qq\abs{uv} \leq \frac{\abs u^p}p + \frac{\abs v^q}q, lalu integralkan: ∫∣uv∣≤1\int\abs{uv} \leq 1; sedangkan kasus umumnya lewat kehomogenannya. Lalu untuk λ∈(0, 1)\lambda \in \intoo01, terapkanlah dengan p=1λp = \frac1\lambda pada pemfaktoran

tλx+(1−λ)y−1e−t=(tx−1e−t)λ(ty−1e−t)1−λ:Γ(λx+(1−λ)y)≤Γ(x)λ Γ(y)1−λ.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. Untuk gg yang cembung, kemiringan sebuah talibusur naik seiring ujungnya (yakni ketaksamaan tiga talibusur). Dengan membandingkan talibusur sepanjang [n−1,n][n-1, n], [n,n+x][n, n+x], dan [n,n+1][n, n+1]:

log⁡(n−1)=g(n)−g(n−1)1≤g(n+x)−g(n)x≤g(n+1)−g(n)1=log⁡n,\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,

dan mengalikannya dengan x>0x > 0 memberikan pernyataannya.

15. Dengan f(n)=(n−1)!f(n) = (n-1)! (yakni rekursi dari f(1)=1f(1) = 1) dan f(n+x)=x(x+1)⋯(x+n−1) f(x)f(n + x) = x(x+1)\cdots(x+n-1)\,f(x), pertanyaan 14 berbunyi

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

Batas atasnya ditulis ulang sebagai 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, sedangkan batas bawahnya pada peringkat n+1n+1 sebagai f(x)≥n! nxx(x+1)⋯(x+n)f(x) \geq \frac{n!\,n^x}{x(x+1)\cdots(x+n)}. Faktor koreksinya x+nn→1\frac{x+n}n \to 1: sehingga penjepitannya memaksa

f(x)=lim⁡nn! 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),

yakni ungkapan yang tak bergantung pada ff: jadi ketunggalannya pada (0, 1]\intoc01, sehingga di mana-mana lewat rekursinya. Dan karena Γ\Gamma memenuhi ketiga hipotesisnya (pertanyaan 13), maka f=Γf = \Gamma dan rumus Gauss berlaku — untuk setiap x>0x > 0, sebab kedua ruasnya menuruti rekursi yang sama.

16. Di dekat 00, integrannya ∼tx−1\sim t^{x-1}, yang terintegralkan jika dan hanya jika x>0x > 0; sedangkan di dekat 11, simetris dengan yy. Lakukan pengintegralan parsial pada [ε, 1−ε]\intcc\varepsilon{1-\varepsilon}, lalu biarkan ε→0\varepsilon \to 0 (suku batasnya lenyap untuk x,y>0x, y > 0):

B(x+1,y)=[−tx(1−t)yy]01+xy∫01tx−1(1−t)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),

dengan memakai (1−t)y=(1−t)y−1(1−t)(1-t)^y = (1-t)^{y-1}(1 - t); lalu selesaikan: B(x+1,y)=xx+yB(x,y)B(x+1, y) = \frac{x}{x+y}B(x, y). Dan B(1,y)=∫01(1−t)y−1 ⁣dt=1yB(1, y) = \int_0^1(1-t)^{y-1}\dd t = \frac1y.

17. Berlaku f(1)=1y⋅Γ(1+y)Γ(y)=1f(1) = \frac1y\cdot\frac{\Gamma(1+y)}{\Gamma(y)} = 1; lalu f(x+1)=xx+yB(x,y)⋅(x+y)Γ(x+y)Γ(y)=x f(x)f(x+1) = \frac{x}{x+y}B(x,y)\cdot\frac{(x+y)\Gamma(x+y)} {\Gamma(y)} = x\,f(x); dan ff bersifat log-cembung terhadap xx sebagai hasil kali B(⋅,y)B(\cdot, y) yang log-cembung (lewat Hölder pada pemfaktoran t(λx1+(1−λ)x2)−1(1−t)y−1=(⋯ )λ(⋯ )1−λt^{(\lambda x_1 + (1-\lambda)x_2)-1}(1-t)^{y-1} = (\cdots)^\lambda(\cdots)^{1-\lambda}, seperti pada pertanyaan 13) dan Γ(⋅+y)\Gamma(\cdot + y) (lewat pergeseran afin). Menurut Bohr–Mollerup: f=Γf = \Gamma, yakni B(x,y)=Γ(x)Γ(y)Γ(x+y)B(x, y) = \frac{\Gamma(x)\Gamma(y)}{\Gamma(x+y)}.

18. Dengan t=sin⁡2θt = \sin^2\theta,  ⁣dt=2sin⁡θcos⁡θ  ⁣dθ\dd t = 2\sin\theta\cos\theta\,\dd\theta dan t−1/2(1−t)−1/2=1sin⁡θcos⁡θt^{-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 .

Bagian I mencapai konstanta yang sama dengan menurunkan sebuah parameter dan mengadu dua fungsi menuju limitnya; sedangkan di sini kecembungan belaka mengakukan soalnya sampai hanya satu nilai yang tersisa. Yakni analisis lewat gerak lawan analisis lewat bentuk.

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

g(x+1)=2xπ Γ(x+12)Γ(x2+1)=2xπ⋅x2 Γ(x2)Γ(x+12)=x g(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) .

Kelog-cembungannya: yakni hasil kali e(x−1)log⁡2\eu^{(x-1)\log2} (yang log-afin) dan dua reparametrisasi afin dari Γ\Gamma yang log-cembung. Lalu Bohr–Mollerup memberikan g=Γg = \Gamma; dan dengan menetapkan x=2zx = 2z: Γ(2z)=22z−1πΓ(z)Γ(z+12)\Gamma(2z) = \frac{2^{2z-1}}{\sqrt\pi}\Gamma(z)\Gamma(z + \frac12).

20. Dari Γ(12)=π\Gamma(\frac12) = \sqrt\pi dan rekursinya, Γ(n+12)=(n−12)(n−32)⋯12 π=(2n−1)(2n−3)⋯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 (lengkapilah hasil kali gasalnya dengan yang genap). Keasimtotikannya: pertanyaan 14 dengan g=log⁡Γg = \log\Gamma dan x=12x = \frac12 memberikan n−1≤Γ(n+12)Γ(n)≤n\sqrt{n-1} \leq \frac{\Gamma(n+\frac12)}{\Gamma(n)} \leq \sqrt n, sehingga nisbahnya terhadap n\sqrt n terjepit antara 1−1n\sqrt{1 - \frac1n} dan 11.

21. Dari pertanyaan 20, (2n)!=4nn!πΓ(n+12)(2n)! = \frac{4^nn!}{\sqrt\pi}\Gamma(n + \tfrac12), sehingga

(2nn)=(2n)!(n!)2=4n Γ(n+12)π  n!=4nπ⋅Γ(n+12)n Γ(n)∼4nπ⋅nn=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}} .

Secara numerik, 410/10π=1048576/5.6050≈187078.64^{10}/\sqrt{10\pi} = 1048576/5.6050 \approx 187078.6, terhadap (2010)=184756\binom{20}{10} = 184756: yakni nisbah 0.98760.9876 — sehingga galatnya O(1/n)O(1/n), yang terlihat di n=10n = 10.

22. Kesetaraannya: Γ(12)=π⇔G=π\Gamma(\frac12) = \sqrt\pi \Leftrightarrow G = \sqrt\pi (lewat substitusi x=u2x = u^2 pada pertanyaan 3) ⇔B(12,12)=π\Leftrightarrow B(\frac12, \frac12) = \pi (lewat rumus Euler); sedangkan penggandaan di z=nz = n adalah bentuk tertutup Γ(n+12)\Gamma(n + \frac12), yang adalah taksiran binomial pusatnya, sampai lema kemiringannya. Teknik parameternya (Bagian I–II) menghitung limit besaran yang bergerak dan tak tergantikan bila sebuah perubahan bentuk yang sejati hadir (sebab integral Dirichlet tak mempunyai bukti kecembungan); sedangkan teknik kecembungannya tak menghitung apa pun, melainkan melarang semua hal — ia unggul pada ketunggalan dan persamaan fungsional (Gauss, Euler, Legendre dalam tiga sapuan), tempat pendiferensialan akan tenggelam dalam perhitungan. Jadi seorang analis yang lengkap membawa keduanya.

23. Dengan t=sin⁡2θt = \sin^2\theta,  ⁣dt=2sin⁡θcos⁡θ  ⁣dθ=2 t1/2(1−t)1/2  ⁣dθ\dd t = 2\sin\theta\cos\theta\,\dd\theta = 2\,t^{1/2}(1-t)^{1/2}\,\dd\theta, sehingga

Wp=∫01tp/2  ⁣dt2 t1/2(1−t)1/2=12∫01tp+12−1(1−t)12−1 ⁣dt=12 B(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).

Lalu rekursi Betanya dengan x=n+12x = \frac{n+1}2 dan y=12y = \frac12 memberikan

Wn+2=12 (n+1)/2(n+2)/2 B(n+12,12)=n+1n+2 Wn.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 .

Mulai dari W0=π2W_0 = \frac\pi2 dan W1=1W_1 = 1:

W2n=π2∏k=1n2k−12k,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} .

Karena sin⁡n+1≤sin⁡n\sin^{n+1} \leq \sin^n pada [0, π/2]\intcc0{\pi/2}, maka barisan (Wn)(W_n) tak naik, sehingga

1≥W2n+1W2n≥W2n+1W2n−1=2n2n+1⟶1.1 \geq \frac{W_{2n+1}}{W_{2n}} \geq \frac{W_{2n+1}}{W_{2n-1}} = \frac{2n}{2n+1} \longrightarrow 1 .

Padahal bentuk tertutupnya memberikan

W2n+1W2n=2π∏k=1n(2k)2(2k−1)(2k+1)=2π∏k=1n4k24k2−1,\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},

dan membiarkan n→∞n \to \infty melahirkan hasil kali Wallis. (Lewat rumus Euler, Wp=π2 Γ(p+12)/Γ(p2+1)W_p = \frac{\sqrt\pi}2\, \Gamma(\frac{p+1}2)/\Gamma(\frac p2 + 1): jadi Wallis adalah integral Gauss dalam kostum yang lain lagi.)

24. Turunan-bb integrannya adalah −2x e−x2sin⁡(2bx)-2x\,\eu^{-x^2}\sin(2bx), yang terdominasi oleh 2∣x∣ e−x2∈L1(R)2\abs x\,\eu^{-x^2} \in L^1(\R) secara seragam terhadap bb: sehingga Φ\Phi bersifat C1\mathcal C^1 dengan

Φ′(b)=−∫−∞+∞2x e−x2sin⁡(2bx)  ⁣dx.\Phi'(b) = -\int_{-\infty}^{+\infty} 2x\,\eu^{-x^2}\sin(2bx)\,\dd x .

Lalu dengan pengintegralan parsial memakai u=sin⁡(2bx)u = \sin(2bx) dan  ⁣dv=−2x e−x2 ⁣dx\dd v = -2x\,\eu^{-x^2}\dd x (sehingga v=e−x2v = \eu^{-x^2}), suku batasnya lenyap dan

Φ′(b)=−2b∫−∞+∞e−x2cos⁡(2bx)  ⁣dx=−2b Φ(b).\Phi'(b) = -2b\int_{-\infty}^{+\infty} \eu^{-x^2}\cos(2bx)\,\dd x = -2b\,\Phi(b).

Karena itu (Φ(b) eb2)′=0\bigl(\Phi(b)\,\eu^{b^2}\bigr)' = 0 dan Φ(b)=Φ(0) e−b2=π e−b2\Phi(b) = \Phi(0)\,\eu^{-b^2} = \sqrt\pi\,\eu^{-b^2} menurut Bagian I. Sampai penormalannya, ini mengatakan bahwa transformasi Fourier e−x2\eu^{-x^2} kembali berupa fungsi Gauss — yakni titik tetap yang menjadi poros teori pembalikan Bab 14.

25. Untuk 0<a<b0 < a < b dan x>0x > 0,

0≤e−ax−e−bxx=∫abe−sx  ⁣ds≤(b−a) e−ax,0 \leq \frac{\eu^{-ax} - \eu^{-bx}}{x} = \int_a^b \eu^{-sx}\,\dd s \leq (b - a)\,\eu^{-ax},

sehingga integral I(a)I(a) konvergen (secara Lebesgue); dan batas titik demi titiknya juga menunjukkan bahwa integrannya diperluas secara kontinu oleh b−ab - a di x=0x = 0. Tetapkan bb; lalu pada [a0, +∞)\intco{a_0}{+\infty} turunan-aa integrannya adalah −e−ax-\eu^{-ax}, yang terdominasi oleh e−a0x∈L1((0, +∞))\eu^{-a_0x} \in L^1(\intoo0{+\infty}), sehingga II bersifat C1\mathcal C^1 pada (0, b)\intoo0b dengan

I′(a)=−∫0+∞e−ax ⁣dx=−1a,sehinggaI(a)=−log⁡a+c.I'(a) = -\int_0^{+\infty}\eu^{-ax}\dd x = -\frac1a, \qquad\text{sehingga}\qquad I(a) = -\log a + c .

Batas dua sisinya memberikan 0≤I(a)≤(b−a)/a→00 \leq I(a) \leq (b-a)/a \to 0 saat a→b−a \to b^-, sehingga c=log⁡bc = \log b dan I(a)=log⁡baI(a) = \log\frac ba. Sedangkan kesingularan terhapuskannya diperlukan di 00: sebab masing-masing suku e−ax/x\eu^{-ax}/x secara tersendiri berintegral divergen (secara logaritmik) di dekat 00, dan hanya peniadaan orde pertamanya e−ax−e−bx=O(x)\eu^{-ax} - \eu^{-bx} = O(x) yang membuat selisihnya terintegralkan di sana; sedangkan di tak hingga masing-masing suku tak berbahaya dengan sendirinya.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium