Mathematics · Buku 5 · Bachelor Year 3

Matematika Universitas — Tahun 3

Matematika Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3

11Ukuran Hasil Kali, Fubini, Penggantian Variabel

Teori Lebesgue satu dimensi menjadi kalkulus berdimensi banyak lewat dua teorema. Tonelli–Fubini mengatakan bahwa integral atas hasil kali adalah integral berulang — sehingga pengirisannya sah, dalam urutan mana pun, di bawah hipotesis yang sungguh dapat diperiksa. Sedangkan rumus penggantian variabel mengangkut integral sepanjang difeomorfisma C1\mathcal C^1, dengan determinan Jacobi sebagai kurs tukar volumenya; dan kita membuktikannya secara lengkap, mulai dari kasus linearnya, tempat ia menerangkan determinan itu apa. Terapannya lalu beruntun: rumus kue berlapis, konvolusi, koordinat kutub, volume bola-nn — dan, pada soal akhir pekannya, rumus Stirling beserta analisis galat yang jujur.

11.1 Aljabar-σ\sigma hasil kali dan ukuran hasil kali

Definisi 11.1

Untuk ruang terukur (X,A)(X, \mathcal A) dan (Y,B)(Y, \mathcal B), aljabar-σ\sigma hasil kali A⊗B\mathcal A \otimes \mathcal B pada X×YX \times Y dibangkitkan oleh persegi panjang A×BA \times B (dengan A∈AA \in \mathcal A dan B∈BB \in \mathcal B) — yakni sebuah sistem-π\pi. Untuk E⊆X×YE \subseteq X\times Y dan x∈Xx \in X, penampangnya adalah Ex={y:(x,y)∈E}E_x = \{y : (x,y) \in E\}; sedangkan untuk sebuah fungsi ff pada hasil kalinya, fx=f(x,⋅)f_x = f(x, \cdot).

Proposisi 11.2

(a) Jika E∈A⊗BE \in \mathcal A\otimes\mathcal B, maka setiap penampang Ex∈BE_x \in \mathcal B (dan setangkup dengan itu); dan jika ff terukur terhadap A⊗B\mathcal A\otimes\mathcal B, maka setiap fxf_x terukur terhadap B\mathcal B. (b) B(Rm)⊗B(Rn)=B(Rm+n)\mathcal B(\R^m)\otimes\mathcal B(\R^n) = \mathcal B(\R^{m+n}).

Bukti. (a) Himpunan baiknya: {E:Ex∈B ∀x}\{E : E_x \in \mathcal B\ \forall x\} merupakan aljabar-σ\sigma (sebab penampangnya komutatif dengan komplemen dan gabungan terbilang) yang memuat persegi panjangnya. Untuk ff: (fx)−1(B)=(f−1(B))x(f_x)^{-1}(B) = (f^{-1}(B))_x. (b) (⊆\subseteq) Untuk persegi panjang himpunan Borel: cukup bahwa kotak terbuka×\timesterbuka bersifat Borel di Rm+n\R^{m+n} (sebab kotaknya terbuka) dan bahwa persegi panjang Borel umumnya berupa limit — lewat himpunan baik lagi: {A:A×Rn∈B(Rm+n)}\{A : A\times\R^n \in \mathcal B(\R^{m+n})\} merupakan aljabar-σ\sigma yang memuat himpunan terbukanya; lalu iriskan keduanya. (⊇\supseteq) Setiap himpunan terbuka Rm+n\R^{m+n} berupa gabungan terbilang kotak terbuka rasional U×VU\times V: yang termuat di aljabar-σ\sigma hasil kalinya. ∎

Teorema 11.3 (Ukuran hasil kali)

Misalkan (X,A,μ)(X, \mathcal A, \mu) dan (Y,B,ν)(Y, \mathcal B, \nu) bersifat berhingga-σ\sigma. Untuk setiap E∈A⊗BE \in \mathcal A\otimes\mathcal B, fungsi x↦ν(Ex)x \mapsto \nu(E_x) bersifat terukur, dan

(μ⊗ν)(E)=∫Xν(Ex)  ⁣dμ(x)(\mu\otimes\nu)(E) = \int_X \nu(E_x)\,\dd\mu(x)

mendefinisikan satu-satunya ukuran pada A⊗B\mathcal A\otimes\mathcal B dengan (μ⊗ν)(A×B)=μ(A)ν(B)(\mu\otimes\nu)(A\times B) = \mu(A)\nu(B). Ukuran itu berhingga-σ\sigma dan setangkup: sebab ukuran yang sama diperoleh dengan mengintegralkan penampang-xx terhadap ν\nu.

Bukti. Keterukuran x↦ν(Ex)x \mapsto \nu(E_x). Mula-mula misalkan ν\nu berhingga. Kelas D\mathcal D berisi EE yang pemetaannya terukur memuat persegi panjangnya (sebab ν((A×B)x)=ν(B)1A(x)\nu((A\times B)_x) = \nu(B)\mathbf 1_A(x)) dan merupakan sistem-λ\lambda: sebab untuk E⊆FE \subseteq F di D\mathcal D, ν((F∖E)x)=ν(Fx)−ν(Ex)\nu((F\setminus E)_x) = \nu(F_x) - \nu(E_x) (menurut keberhinggaannya); sedangkan untuk En↑EE_n \uparrow E, ν((En)x)↑ν(Ex)\nu((E_n)_x) \uparrow \nu(E_x) (menurut kekontinuan dari bawah), dan limit monoton fungsi terukur tetap terukur. Persegi panjangnya membentuk sistem-π\pi: sehingga Dynkin (Teorema 9.4) memberikan D=A⊗B\mathcal D = \mathcal A\otimes\mathcal B. Jika ν\nu berhingga-σ\sigma, tulislah Y=⋃YkY = \bigcup Y_k dengan Yk↑Y_k \uparrow dan ν(Yk)<∞\nu(Y_k) < \infty: maka ν(Ex)=lim⁡kνk(Ex)\nu(E_x) = \lim_k\nu_k(E_x) dengan νk=ν(⋅∩Yk)\nu_k = \nu(\cdot\cap Y_k) yang berhingga.

Ukurannya. Keaditifan-σ\sigma dari E↦∫ν(Ex) ⁣dμE \mapsto \int\nu(E_x)\dd\mu menyusul dari Akibat 10.7 (sebab penampang himpunan yang saling lepas tetap saling lepas). Dan pada persegi panjangnya ia memberikan μ(A)ν(B)\mu(A)\nu(B). Ketunggalannya: dua calonnya bersesuaian pada sistem-π\pi berisi persegi panjang; sedangkan keberhinggaan-σ\sigma-nya menyediakan persegi panjang Xk×Yk↑X×YX_k\times Y_k \uparrow X\times Y yang berukuran berhingga: Teorema 9.7. Kesetangkupannya: sebab konstruksi urutan lainnya juga merupakan ukuran yang bersesuaian pada persegi panjangnya — yang tunggal, jadi sama. ∎

Definisi 11.4

Ukuran Lebesgue pada Rd\R^d adalah λd=λ⊗⋯⊗λ\lambda_d = \lambda\otimes\cdots\otimes\lambda (dengan dd faktor; sedangkan keasosiatifan konstruksinya diperiksa pada kotak lalu dirambatkan lewat ketunggalannya). Ia satu-satunya ukuran Borel yang memberi setiap kotak ∏(ai, bi]\prod\intoc{a_i}{b_i} volumenya ∏(bi−ai)\prod(b_i - a_i); ia invarian terhadap translasi (sebab translasinya bersesuaian pada kotak), berhingga-σ\sigma, dan lengkap setelah pelengkapan Carathéodory — lalu kita menulis λd\lambda_d untuk ukuran yang telah dilengkapkan itu dan mengintegralkan seturut itu.

11.2 Tonelli dan Fubini

Teorema 11.5 (Tonelli)

Misalkan μ,ν\mu, \nu berhingga-σ\sigma dan f ⁣:X×Y→[0,+∞]f \colon X\times Y \to [0, +\infty] terukur. Maka x↦∫Yfx  ⁣dνx \mapsto \int_Y f_x\,\dd\nu bersifat terukur dan

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

Bukti. Lewat mesin bakunya. Untuk f=1Ef = \mathbf 1_E ini adalah Teorema 11.3 (beserta bentuk setangkupnya). Lewat kelinearannya ia berlaku bagi f≥0f \geq 0 yang sederhana. Sedangkan untuk f≥0f \geq 0 yang umum: ambillah sn↗fs_n \nearrow f yang sederhana (Teorema 10.4); maka ∫Y(sn)x ⁣dν↗∫Yfx ⁣dν\int_Y(s_n)_x \dd\nu \nearrow \int_Y f_x\dd\nu untuk setiap xx (lewat kekonvergenan monoton di YY), sehingga anggota kirinya konvergen lewat kekonvergenan monoton di XX, sedangkan ∫sn  ⁣d(μ⊗ν)↗∫f\int s_n\,\dd(\mu\otimes\nu) \nearrow \int f lewat kekonvergenan monoton pada hasil kalinya. ∎

Teorema 11.6 (Fubini)

Misalkan μ,ν\mu, \nu berhingga-σ\sigma dan f∈L1(μ⊗ν)f \in L^1(\mu\otimes\nu). Maka untuk μ\mu-hampir setiap xx penampang fxf_x terintegralkan terhadap ν\nu, lalu fungsi x↦∫fx ⁣dνx \mapsto \int f_x\dd\nu yang terdefinisi hampir di mana-mana bersifat terintegralkan, dan kedua integral berulangnya sama-sama bernilai ∫f  ⁣d(μ⊗ν)\int f\,\dd(\mu\otimes\nu).

Bukti. Tonelli yang diterapkan pada ∣f∣\abs f menunjukkan bahwa φ(x)=∫∣fx∣ ⁣dν\varphi(x) = \int\abs{f_x} \dd\nu berintegral berhingga, jadi berhingga hampir di mana-mana: sehingga fx∈L1(ν)f_x \in L^1(\nu) untuk hampir setiap xx. Pecahlah f=f+−f−f = f^+ - f^- (pada kasus realnya; sedangkan kasus kompleksnya menurut komponennya): maka Tonelli menghitung setiap integral berulang f±f^\pm sebagai ∫f± ⁣d(μ⊗ν)<∞\int f^\pm\dd(\mu\otimes\nu) < \infty, dan selisih yang terdefinisi hampir di mana-mana itu berintegral selisihnya. Setangkup dengan itu untuk urutan yang lain. ∎

Metode 11.7

Untuk menukar dua integral (atau sebuah integral dengan sebuah jumlah, atau dua jumlah): jika integrannya tak negatif, tukarlah sebebasnya (lewat Tonelli). Selain itu, terapkanlah dahulu Tonelli pada ∣f∣\abs f dalam urutan mana pun yang lebih mudah ditaksir; dan jika hasilnya berhingga, maka Fubini mengesahkan penukarannya. Jangan pernah melewati pemeriksaan ∣f∣\abs f itu: sebab integran Latihan 11.4 mempunyai dua integral berulang bernilai berbeda.

Proposisi 11.8 (Kue berlapis)

Untuk f≥0f \geq 0 yang terukur pada (X,A,μ)(X, \mathcal A, \mu) yang berhingga-σ\sigma:

∫Xf  ⁣dμ=∫0+∞μ({f>t})  ⁣dt,∫Xfp  ⁣dμ=p∫0+∞tp−1μ({f>t})  ⁣dt(p≥1).\int_X f\,\dd\mu = \int_0^{+\infty}\mu(\{f > t\})\,\dd t, \qquad \int_X f^p\,\dd\mu = p\int_0^{+\infty}t^{p-1}\mu(\{f > t\})\,\dd t \quad (p \geq 1).

Bukti. Terapkan Tonelli pada 1{(x,t):0<t<f(x)}\mathbf 1_{\{(x,t) : 0 < t < f(x)\}} di X×(0, +∞)X \times \intoo0{+\infty} (yang terukur: sebab ia {(x,t):f(x)−t>0}∩{t>0}\{(x,t): f(x) - t > 0\}\cap\{t > 0\}, yakni gabungan bertipe Borel atas (x,t)↦f(x)−t(x,t)\mapsto f(x) - t yang terukur): maka mengintegralkan terhadap tt lebih dahulu memberikan ∫f  ⁣dμ\int f\,\dd\mu; sedangkan terhadap xx lebih dahulu, ∫0∞μ(f>t) ⁣dt\int_0^\infty\mu(f > t)\dd t. Untuk fpf^p: substitusikan t=spt = s^p pada ∫μ(fp>t) ⁣dt\int\mu(f^p > t) \dd t, yakni terapkan rumus pertamanya pada fpf^p lalu gantilah variabelnya pada integral satu dimensinya (sebab {fp>sp}={f>s}\{f^p > s^p\} = \{f > s\}). ∎

Teorema 11.9 (Konvolusi pada L1L^1)

Untuk f,g∈L1(Rd,λd)f, g \in L^1(\R^d, \lambda_d), integral

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

konvergen mutlak untuk hampir setiap xx, mendefinisikan f∗g∈L1(Rd)f * g \in L^1(\R^d) dengan ∥f∗g∥1≤∥f∥1∥g∥1\norm{f*g}_1 \leq \norm f_1\norm g_1, dan ∗* bersifat komutatif serta asosiatif.

Bukti. Pemetaan (x,y)↦f(x−y)g(y)(x, y) \mapsto f(x-y)g(y) terukur (sebab (x,y)↦x−y(x,y)\mapsto x - y kontinu; lalu komposisikan dan kalikan). Lewat Tonelli:

∫ ⁣ ⁣∫∣f(x−y)∣∣g(y)∣  ⁣dy  ⁣dx=∫∣g(y)∣(∫∣f(x−y)∣ ⁣dx) ⁣dy=∥f∥1∥g∥1<∞\int\!\!\int \abs{f(x-y)}\abs{g(y)}\,\dd y\,\dd x = \int\abs{g(y)}\Bigl(\int\abs{f(x - y)}\dd x\Bigr)\dd y = \norm f_1\norm g_1 < \infty

(lewat keinvarianan translasi λd\lambda_d pada integral dalamnya). Jadi integral rangkapnya berhingga; lalu Fubini memberikan kekonvergenan mutlak hampir di mana-mana beserta batas normanya ∥f∗g∥1≤∥f∥1∥g∥1\norm{f*g}_1 \leq \norm f_1\norm g_1. Kekomutatifannya: substitusikan y↦x−yy \mapsto x - y (lewat keinvarianan translasi dan pencerminan — sebab keinvarianan pencerminannya berlaku pada kotak, jadi di mana-mana lewat ketunggalannya). Keasosiatifannya: lewat Tonelli–Fubini pada integral rangkap tiga. ∎

11.3 Penggantian variabel

Teorema 11.10 (Penggantian variabel linear)

Untuk T∈GLd(R)T \in GL_d(\R) dan A∈B(Rd)A \in \mathcal B(\R^d): λd(T(A))=∣det⁡T∣ λd(A)\lambda_d(T(A)) = \abs{\det T}\,\lambda_d(A); sehingga ∫f(y) ⁣dy=∣det⁡T∣∫f(Tx)  ⁣dx\int f(y)\dd y = \abs{\det T}\int f(Tx)\,\dd x untuk f≥0f \geq 0 atau yang terintegralkan.

Bukti. Ukuran μT(A)=λd(T(A))\mu_T(A) = \lambda_d(T(A)) merupakan ukuran Borel (sebab homeomorfisma mengawetkan himpunan Borel, Soal 9.1), invarian terhadap translasi (sebab T(A+x)=T(A)+TxT(A + x) = T(A) + Tx), dan berhingga pada kotak satuannya: sehingga lewat pencirian ukuran Lebesgue (Latihan 9.6, yang buktinya berlaku kata demi kata di Rd\R^d dengan kubus diadik), μT=c(T)λd\mu_T = c(T)\lambda_d dengan c(T)=λd(T([0, 1)d))c(T) = \lambda_d(T(\intco01^d)). Pemetaan T↦c(T)T \mapsto c(T) bersifat multiplikatif (sebab c(ST)=c(S)c(T)c(ST) = c(S)c(T), lewat pengomposisian), sehingga cukup dihitung cc pada pembangkit GLdGL_d: yakni matriks elementernya. Untuk yang diagonal diag⁡(a,1,…,1)\operatorname{diag}(a, 1, \dots, 1): ia memetakan kubus satuannya ke kotak bervolume ∣a∣\abs a: jadi c=∣a∣=∣det⁡∣c = \abs a = \abs\det. Untuk transposisi koordinatnya: ia mempermutasikan kubusnya: jadi c=1=∣det⁡∣c = 1 = \abs\det. Untuk transveksi T(x)=x+αx2e1T(x) = x + \alpha x_2e_1: peta kubus satuannya adalah prisma yang tergeser; lalu lewat Tonelli ukurannya adalah ∫λ1(penampang) ⁣dx2⋯ ⁣dxd=1\int\lambda_1(\text{penampang})\dd x_2 \cdots \dd x_d = 1, sebab setiap penampang-x1x_1-nya berupa selang berpanjang 11: jadi c=1=∣det⁡∣c = 1 = \abs{\det}. Setiap matriks terbalikkan merupakan hasil kali matriks semacam itu (lewat eliminasi Gauss), dan baik cc maupun ∣det⁡∣\abs\det bersifat multiplikatif: sehingga c(T)=∣det⁡T∣c(T) = \abs{\det T}. Lalu rumus integralnya menyusul lewat mesin bakunya (indikator, sederhana, kekonvergenan monoton). ∎

Teorema 11.11 (Penggantian variabel)

Misalkan U,V⊆RdU, V \subseteq \R^d terbuka dan Φ ⁣:U→V\Phi \colon U \to V sebuah difeomorfisma C1\mathcal C^1. Untuk setiap f ⁣:V→[0,+∞]f \colon V \to [0, +\infty] yang terukur (atau f∈L1(V)f \in L^1(V)):

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

Bukti. Tulis J(x)=∣det⁡DΦ(x)∣J(x) = \abs{\det D\Phi(x)}. Jantung buktinya adalah ketaksamaan

λd(Φ(A))≤∫AJ  ⁣dλduntuk setiap Borel A⊆U;(∗)\lambda_d\bigl(\Phi(A)\bigr) \leq \int_A J\,\dd\lambda_d \qquad\text{untuk setiap Borel } A \subseteq U; \tag{$*$}

lalu Langkah 4 di bawah meningkatkan (∗)(*) — yang diterapkan pada Φ\Phi maupun Φ−1\Phi^{-1} — menjadi kesamaan teoremanya. Perhatikan bahwa Φ−1\Phi^{-1} sendiri merupakan difeomorfisma C1\mathcal C^1 dengan Jacobi ∣det⁡DΦ−1(y)∣=J(Φ−1y)−1\abs{\det D\Phi^{-1}(y)} = J(\Phi^{-1}y)^{-1} (lewat aturan rantai pada Φ∘Φ−1=id\Phi\circ\Phi^{-1} = \mathrm{id}).

Langkah 1: (∗)(*) untuk kubus, dengan faktor kesesatannya. Tetapkan sebuah kubus tertutup Q⊆UQ \subseteq U berpusat x0x_0 dan bersisi 2r2r (yakni bola norma-sup). Klaimnya: untuk setiap ε>0\varepsilon > 0, jika Φ\Phi dapat diturunkan pada QQ dengan ∥DΦ(x)−DΦ(x0)∥≤ε\norm{D\Phi(x) - D\Phi(x_0)} \leq \varepsilon pada QQ (dalam norma operator untuk norma-sup), maka

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

sebab untuk x∈Qx \in Q, ketaksamaan nilai rata-rata yang diterapkan pada Φ(x)−Φ(x0)−DΦ(x0)(x−x0)\Phi(x) - \Phi(x_0) - D\Phi(x_0)(x - x_0) memberikan ∥Φ(x)−Φ(x0)−DΦ(x0)(x−x0)∥∞≤ε∥x−x0∥∞≤εr\norm{\Phi(x) - \Phi(x_0) - D\Phi(x_0)(x-x_0)}_\infty \leq \varepsilon\norm{x - x_0}_\infty \leq \varepsilon r, dan DΦ(x0)−1D\Phi(x_0)^{-1} menarik cacat itu menjadi pembesaran kubusnya sebesar ε∥DΦ(x0)−1∥ r\varepsilon\norm{D\Phi(x_0)^{-1}}\,r. Menurut Teorema 11.10,

λd(Φ(Q))≤∣det⁡DΦ(x0)∣ (1+ε C)d λd(Q),C=sup⁡Q∥DΦ(⋅)−1∥.\lambda_d(\Phi(Q)) \leq \abs{\det D\Phi(x_0)}\, \bigl(1 + \varepsilon\,C\bigr)^{d}\,\lambda_d(Q), \qquad C = \sup_{Q}\norm{D\Phi(\cdot)^{-1}} .

Langkah 2: (∗)(*) untuk kubus kompak, lewat pembagian. Misalkan Q⊆UQ \subseteq U sebuah kubus kompak dan ε>0\varepsilon > 0. Pada QQ, DΦD\Phi kontinu seragam dan ∥DΦ−1∥\norm{D\Phi^{-1}} terbatas (menurut kekompakannya); lalu bagilah QQ menjadi 2kd2^{kd} subkubus QiQ_i yang cukup kecil sehingga osilasi DΦD\Phi pada masing-masingnya ≤ε\leq \varepsilon. Langkah 1 pada setiap subkubusnya (berpusat xix_i):

λd(Φ(Q))≤∑iλd(Φ(Qi))≤(1+Cε)d∑i∣det⁡DΦ(xi)∣ λd(Qi)≤(1+Cε)d(∫QJ+ε′),\lambda_d(\Phi(Q)) \leq \sum_i\lambda_d(\Phi(Q_i)) \leq (1 + C\varepsilon)^d \sum_i \abs{\det D\Phi(x_i)}\,\lambda_d(Q_i) \leq (1 + C\varepsilon)^d\Bigl(\int_Q J + \varepsilon'\Bigr),

dengan langkah terakhirnya sebab ∑i∣det⁡DΦ(xi)∣1Qi→J\sum_i\abs{\det D\Phi(x_i)}\mathbf 1_{Q_i} \to J secara seragam pada QQ (menurut kekontinuan det⁡DΦ\det D\Phi) — yakni pembandingan jumlah Riemann. Lalu biarkan ε→0\varepsilon \to 0: sehingga (∗)(*) berlaku bagi kubus kompak.

Langkah 3: (∗)(*) untuk setiap Borel AA. Fungsi himpunan A↦λd(Φ(A))A \mapsto \lambda_d(\Phi(A)), pada himpunan bagian Borel dari UU, merupakan ukuran (sebab Φ\Phi bijeksi ke VV yang mengawetkan himpunan Borel dan kelepasan terbilang), dan demikian pula A↦∫AJA \mapsto \int_AJ. Setiap himpunan bagian terbuka UU berupa gabungan terbilang kubus kompak diadik yang hampir saling lepas (lewat penguraian diadik bakunya: ambillah kubus diadik maksimal yang termuat di himpunan terbukanya), dan kedua ukurannya aditif melintasinya (sebab batas kubusnya bersifat nol-λd\lambda_d, dan peta-Φ\Phi-nya bersifat nol menurut Langkah 2 yang diterapkan pada selimut kubus tipis atas sisinya): sehingga (∗)(*) beralih dari kubus ke himpunan terbuka. Untuk Borel AA yang umum: habiskan UU oleh kompak Km↑UK_m \uparrow U dengan Km⊆K˚m+1K_m \subseteq \mathring K_{m+1}, lalu tetapkan mm; maka pada K˚m+1\mathring K_{m+1}, JJ terbatas oleh suatu MmM_m. Lewat keteraturan luar λd\lambda_d (dengan bukti seperti pada Teorema 9.13, memakai kotak), pilihlah himpunan terbuka OnO_n dengan A∩Km⊆On⊆K˚m+1A \cap K_m \subseteq O_n \subseteq \mathring K_{m+1} dan λd(On∖(A∩Km))→0\lambda_d\bigl(O_n \setminus (A\cap K_m)\bigr) \to 0. Maka

λd(Φ(A∩Km))≤λd(Φ(On))≤∫OnJ≤∫A∩KmJ+Mm λd(On∖(A∩Km))→n→∞∫A∩KmJ.\lambda_d\bigl(\Phi(A\cap K_m)\bigr) \leq \lambda_d\bigl(\Phi(O_n)\bigr) \leq \int_{O_n}J \leq \int_{A\cap K_m}J + M_m\,\lambda_d\bigl(O_n\setminus(A\cap K_m)\bigr) \xrightarrow[n\to\infty]{} \int_{A\cap K_m}J .

Lalu biarkan m→∞m \to \infty: kekontinuan dari bawah pada kirinya, dan kekonvergenan monoton pada kanannya. Dengan demikian (∗)(*) tegak.

Langkah 4: kesamaannya dan rumus integralnya. Mula-mula perluaslah (∗)(*) dari himpunan ke integral: untuk setiap g≥0g \geq 0 yang terukur pada VV,

∫Vg(y)  ⁣dy≤∫Ug(Φ(x)) J(x)  ⁣dx.(∗∗)\int_V g(y)\,\dd y \leq \int_U g(\Phi(x))\,J(x)\,\dd x . \tag{$**$}

Sungguh, untuk g=1Bg = \mathbf 1_B ini adalah (∗)(*) dengan A=Φ−1(B)A = \Phi^{-1}(B); lalu kelinearannya memperluasnya ke gg yang sederhana, dan kekonvergenan monotonnya ke setiap g≥0g \geq 0 (yakni mesin bakunya). Kini terapkan (∗∗)(**) dua kali: mula-mula pada gg, lalu — untuk difeomorfisma Φ−1\Phi^{-1} — pada fungsi x↦g(Φ(x))J(x)x \mapsto g(\Phi(x))J(x):

∫Vg≤∫Ug(Φ(x))J(x) ⁣dx≤∫Vg(y) J(Φ−1y) ∣det⁡DΦ−1(y)∣  ⁣dy=∫Vg,\int_Vg \leq \int_U g(\Phi(x))J(x)\dd x \leq \int_V g(y)\,J(\Phi^{-1}y)\,\abs{\det D\Phi^{-1}(y)}\,\dd y = \int_V g ,

sebab J(Φ−1y)∣det⁡DΦ−1(y)∣=∣det⁡(DΦ(Φ−1y) DΦ−1(y))∣=1J(\Phi^{-1}y)\abs{\det D\Phi^{-1}(y)} = \abs{\det\bigl( D\Phi(\Phi^{-1}y)\,D\Phi^{-1}(y)\bigr)} = 1 (lewat aturan rantai pada Φ∘Φ−1=id\Phi\circ\Phi^{-1} = \mathrm{id}). Jadi semua ketaksamaannya menjadi kesamaan: sehingga rumusnya berlaku bagi g≥0g \geq 0, dan bagi fungsi L1L^1 lewat penguraiannya. ∎

Contoh 11.12 (Koordinat kutub; fungsi Gauss lagi)

Pemetaan Φ(r,θ)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ)\Phi(r, \theta) = (r\cos\theta, r\sin\theta) merupakan difeomorfisma C1\mathcal C^1 dari (0, +∞)×(0, 2π)\intoo0{+\infty}\times\intoo0{2\pi} ke R2\R^2 dikurangi sebuah setengah garis (yakni himpunan nol), dengan det⁡DΦ=r\det D\Phi = r:

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

Untuk f=e−x2−y2f = \eu^{-x^2-y^2}, Tonelli dan rumus ini memberikan

G2=(∫Re−x2 ⁣dx)2=∫R2e−x2−y2=2π∫0∞re−r2 ⁣dr=π:G^2 = \Bigl(\int_\R \eu^{-x^2}\dd x\Bigr)^2 = \int_{\R^2}\eu^{-x^2-y^2} = 2\pi\int_0^\infty r\eu^{-r^2}\dd r = \pi:

yakni bukti klasik dua baris bagi G=πG = \sqrt\pi, yang kini sepenuhnya dibenarkan (bandingkan dengan bukti parameternya pada Soal 10.1).

Teorema 11.13 (Volume bola satuan)

Misalkan vd=λd(B(0,1))v_d = \lambda_d(B(0,1)) di Rd\R^d. Maka

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

Bukti. Hitunglah I=∫Rde−∥x∥22 ⁣dλdI = \int_{\R^d}\eu^{-\norm x_2^2}\dd\lambda_d dua kali. Lewat Tonelli ia terfaktorkan: I=Gd=πd/2I = G^d = \pi^{d/2}. Sedangkan lewat rumus kue berlapis (Proposisi 11.8) dengan f=e−∥x∥2f = \eu^{- \norm x^2}, yang himpunan arasnya berupa bola: {f>t}=B(0,−ln⁡t)\{f > t\} = B\bigl(0, \sqrt{-\ln t}\bigr) untuk 0<t<10 < t < 1, yang berukuran vd(−ln⁡t)d/2v_d(-\ln t)^{d/2} (sebab pendilatan oleh ρ\rho menskalakan λd\lambda_d dengan ρd\rho^d: Teorema 11.10), sehingga

I=∫01vd (−ln⁡t)d/2  ⁣dt=t=e−svd∫0∞sd/2e−s  ⁣ds=vd Γ(d2+1).I = \int_0^1 v_d\,(-\ln t)^{d/2}\,\dd t \overset{t = \eu^{-s}}{=} v_d\int_0^\infty s^{d/2}\eu^{-s}\,\dd s = v_d\,\Gamma\Bigl(\frac d2 + 1\Bigr).

Lalu samakan keduanya. (Nilainya: Γ(32)=π2\Gamma(\frac32) = \frac{\sqrt\pi}2, Γ(2)=1\Gamma(2) = 1, dan seterusnya.) Perhatikan bahwa vd→0v_d \to 0 saat d→∞d \to \infty — dan soal akhir pekannya mengukur secepat apa, lewat Stirling. ∎

11.4 Latihan

Latihan 11.1 ★

Misalkan μ\mu ukuran cacah pada ([0, 1],B([0, 1]))(\intcc01, \mathcal B(\intcc01)) (yang tak berhingga-σ\sigma) dan λ\lambda ukuran Lebesgue, lalu misalkan Δ={(x,x)}\Delta = \{(x,x)\} diagonal di [0, 1]2\intcc01^2. Tunjukkan bahwa Δ\Delta terukur, lalu hitunglah kedua integral berulang 1Δ\mathbf 1_\Delta terhadap λ\lambda dan μ\mu: keduanya berbeda. Hipotesis mana pada Teorema 11.5 yang gagal?

Solusi

Solusi Latihan 11.1.

Himpunan Δ\Delta tertutup di [0, 1]2\intcc01^2, jadi bersifat Borel, dan B([0, 1]2)\mathcal B(\intcc01^2) adalah aljabar-σ\sigma hasil kalinya (Proposisi 11.2(b)). Dengan berulang menurut satu arah:

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

sedangkan menurut arah yang lain:

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

Hipotesis yang gagal adalah keberhinggaan-σ\sigma ukuran cacah μ\mu pada [0, 1]\intcc01 yang tak terbilang: sebab tak ada keluarga terbilang berisi himpunan berukuran-μ\mu berhingga yang menyelimutinya.

Latihan 11.2 ★

Benarkan penukarannya lalu turunkan kembali integral Dirichlet: untuk A>0A > 0,

∫0Asin⁡xx  ⁣dx=∫0A ⁣ ⁣∫0+∞e−xysin⁡x  ⁣dy  ⁣dx=∫0+∞ ⁣ ⁣∫0Ae−xysin⁡x  ⁣dx  ⁣dy,\int_0^A\frac{\sin x}x\,\dd x = \int_0^A\!\!\int_0^{+\infty}\eu^{-xy}\sin x\,\dd y\,\dd x = \int_0^{+\infty}\!\!\int_0^A \eu^{-xy}\sin x\,\dd x\,\dd y,

hitunglah integral dalamnya dalam bentuk tertutup, lalu biarkan A→+∞A \to +\infty (dengan mendominasi integral-yy-nya) untuk memperoleh ∫0∞sin⁡xx ⁣dx=π2\int_0^\infty\frac{\sin x}x\dd x = \frac\pi2.

Solusi

Solusi Latihan 11.2.

Pada [0, A]×(0, +∞)\intcc0A\times\intoo0{+\infty}: ∫0A∫0∞e−xy∣sin⁡x∣  ⁣dy  ⁣dx=∫0A∣sin⁡x∣x ⁣dx≤A<∞\int_0^A\int_0^\infty\eu^{-xy}\abs{\sin x}\,\dd y\,\dd x = \int_0^A\frac{\abs{\sin x}}x\dd x \leq A < \infty (lewat Tonelli untuk nilai mutlaknya): sehingga Fubini berlaku, dan karena ∫0∞e−xy ⁣dy=1x\int_0^\infty\eu^{-xy}\dd y = \frac1x, maka

∫0Asin⁡xx ⁣dx=∫0∞(∫0Ae−xysin⁡x  ⁣dx) ⁣dy=∫0∞1−e−Ay(cos⁡A+ysin⁡A)1+y2  ⁣dy\int_0^A\frac{\sin x}x\dd x = \int_0^\infty\Bigl(\int_0^A\eu^{-xy}\sin x\,\dd x\Bigr)\dd y = \int_0^\infty \frac{1 - \eu^{-Ay}(\cos A + y\sin A)}{1 + y^2}\,\dd y

(dengan integral dalamnya: Im⁡∫0Ae(i−y)x ⁣dx\operatorname{Im}\int_0^A\eu^{(\iu - y)x}\dd x, yang dihitung langsung). Saat A→∞A \to \infty, suku koreksinya terbatas oleh ∫0∞e−Ay1+y1+y2 ⁣dy≤32∫0∞e−Ay ⁣dy=32A→0\int_0^\infty\eu^{-Ay}\frac{1 + y}{1 + y^2}\dd y \leq \frac32\int_0^\infty\eu^{-Ay}\dd y = \frac3{2A} \to 0; sedangkan suku utamanya adalah ∫0∞ ⁣dy1+y2=π2\int_0^\infty\frac{\dd y}{1+y^2} = \frac\pi2. Karena itu ∫0∞sin⁡xx ⁣dx=π2\int_0^\infty\frac{\sin x}x\dd x = \frac\pi2 — yakni integral Dirichlet lewat Fubini.

Latihan 11.3 ★★

(a) Buktikan bahwa untuk f≥0f \geq 0 yang terukur dan μ\mu yang berhingga: ∑n≥1μ({f≥n})≤∫f  ⁣dμ≤μ(X)+∑n≥1μ({f≥n})\sum_{n\geq1}\mu(\{f \geq n\}) \leq \int f\,\dd\mu \leq \mu(X) + \sum_{n\geq1}\mu(\{f\geq n\}): sehingga keterintegralannya adalah keterjumlahan ukuran ekornya. (b) Turunkan bahwa f∈L1(μ)f \in L^1(\mu) (dengan μ\mu berhingga) jika dan hanya jika ∑nμ(∣f∣≥n)<∞\sum_n\mu(\abs f \geq n) < \infty.

Solusi

Solusi Latihan 11.3.

(a) Lewat kue berlapis (Proposisi 11.8): ∫f  ⁣dμ=∫0∞μ(f>t)  ⁣dt\int f\,\dd\mu = \int_0^\infty\mu(f > t)\,\dd t, dan t↦μ(f>t)t \mapsto \mu(f > t) bersifat tak naik. Pada [n−1,n][n-1, n]: μ(f≥n)≤μ(f>t)≤μ(f>n−1)≤μ(f≥n−1)\mu(f \geq n) \leq \mu(f > t) \leq \mu(f > n - 1) \leq \mu(f \geq n - 1); lalu jumlahkan integralnya atas selang satuannya:

∑n≥1μ(f≥n)≤∫f  ⁣dμ≤∑n≥1μ(f≥n−1)=μ(f≥0)+∑n≥1μ(f≥n)≤μ(X)+∑n≥1μ(f≥n).\sum_{n\geq1}\mu(f \geq n) \leq \int f\,\dd\mu \leq \sum_{n\geq1}\mu(f \geq n - 1) = \mu(f \geq 0) + \sum_{n\geq1}\mu(f\geq n) \leq \mu(X) + \sum_{n\geq1}\mu(f\geq n).

(b) Terapkan (a) pada ∣f∣\abs f: maka keberhinggaan integralnya dan deretnya saling setara (sebab tambahan μ(X)\mu(X) bersifat berhingga).

Latihan 11.4 ★★

Untuk f(x,y)=x2−y2(x2+y2)2f(x, y) = \dfrac{x^2 - y^2}{(x^2 + y^2)^2} pada (0, 1)2\intoo01^2, tunjukkan bahwa

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

(perhatikan f=∂y(yx2+y2)f = \partial_y\bigl(\frac{y}{x^2+y^2}\bigr)), lalu periksalah langsung bahwa ∫ ⁣∫∣f∣=+∞\int\!\int\abs f = +\infty: jadi hipotesis keterintegralan Fubini bukanlah hiasan.

Solusi

Solusi Latihan 11.4.

Karena f(x,y)=∂y(yx2+y2)f(x,y) = \partial_y\bigl(\frac{y}{x^2+y^2}\bigr) untuk x≠0x \ne 0:

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

lalu menurut kesetangkupan gasal f(y,x)=−f(x,y)f(y,x) = -f(x,y), urutan lainnya memberikan −π4-\frac\pi4. Untuk nilai mutlaknya: bila 0<y<x0 < y < x,

∫0xf(x,y)  ⁣dy=[yx2+y2]0x=12x,dan f≥0 di sana, sehingga∫01 ⁣ ⁣∫01∣f∣≥∫01 ⁣dx2x=+∞.\int_0^x f(x,y)\,\dd y = \Bigl[\frac{y}{x^2 + y^2}\Bigr]_0^x = \frac1{2x}, \quad\text{dan } f \geq 0 \text{ di sana, sehingga}\quad \int_0^1\!\!\int_0^1\abs f \geq \int_0^1\frac{\dd x}{2x} = +\infty .

Tak ada pertentangan dengan Fubini: sebab hipotesisnya f∈L1f \in L^1 gagal, dan kedua integral berulangnya sekadar dua bilangan yang berbeda.

Latihan 11.5 ★★

(a) Hitunglah 1[0, 1]∗1[0, 1]\mathbf 1_{\intcc01} * \mathbf 1_{\intcc01} secara eksplisit (yakni sebuah fungsi tenda), lalu bentuk umum (1∗1∗1)(\mathbf 1 * \mathbf 1 * \mathbf 1). (b) Tunjukkan bahwa supp⁡(f∗g)⊆supp⁡f+supp⁡g‾\operatorname{supp}(f * g) \subseteq \overline{\operatorname{supp}f + \operatorname{supp}g}. (c) Tunjukkan bahwa jika f∈L1f \in L^1 dan gg terbatas serta kontinu, maka f∗gf * g kontinu. (Pakai kekonvergenan terdominasi lewat kekontinuan translasi pada gg yang terbatas itu.)

Solusi

Solusi Latihan 11.5.

(a) (1[0, 1]∗1[0, 1])(x)=λ([0, 1]∩[x−1, x])(\mathbf 1_{\intcc01}*\mathbf 1_{\intcc01})(x) = \lambda\bigl(\intcc01\cap\intcc{x-1}x\bigr): yakni 00 bila x∉[0, 2]x \notin \intcc02, xx bila 0≤x≤10 \leq x \leq 1, dan 2−x2 - x bila 1≤x≤21 \leq x \leq 2: yaitu tendanya. Mengonvolusikannya lagi memberikan gundukan C1\mathcal C^1 yang kuadratik sepenggal-sepenggal pada [0, 3]\intcc03 (yakni B-spline kuadratik): sehingga setiap konvolusinya menambah satu derajat kemulusan — yakni asas pemulusan di balik pemulus Bab 12.

(b) Jika x∉supp⁡f+supp⁡g‾x \notin \overline{\operatorname{supp}f + \operatorname{supp}g}, maka ada bola di sekitar xx yang saling lepas dengan himpunan jumlahnya; lalu untuk y∈supp⁡gy \in \operatorname{supp}g, x−y∉supp⁡fx - y \notin\operatorname{supp}f, sehingga integrannya lenyap secara identik: jadi f∗g=0f * g = 0 di dekat xx.

(c) Untuk xn→xx_n \to x: (f∗g)(xn)=∫f(y)g(xn−y)  ⁣dy(f*g)(x_n) = \int f(y)g(x_n - y)\,\dd y; maka integrannya konvergen titik demi titik (menurut kekontinuan gg) dan terdominasi oleh ∥g∥∞ ∣f∣∈L1\norm g_\infty\,\abs f \in L^1: sehingga kekonvergenan terdominasinya memberikan (f∗g)(xn)→(f∗g)(x)(f*g)(x_n) \to (f*g)(x).

Latihan 11.6 ★★

(a) Tunjukkan bahwa simpleks Δd={x∈[0, ∞)d:x1+⋯+xd≤1}\Delta_d = \{x \in \intco0\infty^d : x_1 + \dots + x_d \leq 1\} bervolume 1d!\frac1{d!} (lewat induksi dan Fubini). (b) Pulihkan v2=πv_2 = \pi dan v3=4π3v_3 = \frac{4\pi}3 dari Teorema 11.13, lalu tunjukkan bahwa λd(elipsoid bersetengah sumbu ai)=vd∏ai\lambda_d(\text{elipsoid bersetengah sumbu } a_i) = v_d\prod a_i.

Solusi

Solusi Latihan 11.6.

(a) Lewat Fubini dan induksi, dengan mengiris sepanjang koordinat terakhirnya:

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

dengan memakai aturan pendilatan λd−1(ρA)=ρd−1λd−1(A)\lambda_{d-1}(\rho A) = \rho^{d-1}\lambda_{d-1}(A) (Teorema 11.10); lalu dengan λ1(Δ1)=1\lambda_1(\Delta_1) = 1: volumenya 1d!\frac1{d!}.

(b) v2=π/Γ(2)=πv_2 = \pi/\Gamma(2) = \pi; dan v3=π3/2/Γ(52)=π3/2/(32⋅12π)=4π3v_3 = \pi^{3/2}/\Gamma(\frac52) = \pi^{3/2}/(\frac32\cdot\frac12 \sqrt\pi) = \frac{4\pi}3. Sedangkan elipsoidnya adalah T(B(0,1))T(B(0,1)) dengan T=diag⁡(a1,…,ad)T = \operatorname{diag}(a_1, \dots, a_d): sehingga Teorema 11.10 memberikan volume vd∏aiv_d\prod a_i.

Latihan 11.7 ★★

Untuk s>0s > 0 yang mana integral berikut berhingga? Benarkan dengan koordinat kutub:

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

Perumumkanlah ke Rd\R^d (dengan ambang s<d/2s < d/2 dan s>d/2s > d/2).

Solusi

Solusi Latihan 11.7.

Di R2\R^2, lewat koordinat kutub (Contoh 11.12):

∫B(0,1) ⁣dx ⁣dy(x2+y2)s=2π∫01r1−2s  ⁣dr,∫R2∖B(0,1)=2π∫1∞r1−2s ⁣dr:\int_{B(0,1)}\frac{\dd x\dd y}{(x^2+y^2)^s} = 2\pi\int_0^1 r^{1 - 2s}\,\dd r, \qquad \int_{\R^2\setminus B(0,1)} = 2\pi\int_1^\infty r^{1-2s}\dd r:

yang berhingga jika dan hanya jika 1−2s>−11 - 2s > -1 (yakni s<1s < 1), berturut-turut 1−2s<−11 - 2s < -1 (yakni s>1s > 1). Di Rd\R^d, hindarilah koordinat bola dengan memakai kue berlapisnya: λd({∥x∥−2s>t}∩B(0,1))=λd(B(0,min⁡(1,t−1/2s)))=vdmin⁡(1,t−d/2s)\lambda_d(\{\norm x^{-2s} > t\}\cap B(0,1)) = \lambda_d(B(0, \min(1, t^{-1/2s}))) = v_d\min(1, t^{-d/2s}), dan ∫0∞vdmin⁡(1,t−d/(2s)) ⁣dt<∞\int_0^\infty v_d\min(1, t^{-d/(2s)})\dd t < \infty jika dan hanya jika d2s>1\frac d{2s} > 1, yakni s<d2s < \frac d2; sedangkan integral luarnya konvergen jika dan hanya jika s>d2s > \frac d2 (lewat perhitungan yang sama pada daerah komplemennya).

Latihan 11.8 ★★★

(Beta–Gamma) Untuk p,q>0p, q > 0, misalkan B(p,q)=∫01tp−1(1−t)q−1 ⁣dtB(p, q) = \int_0^1t^{p-1}(1 - t)^{q-1}\dd t. Mulailah dari Γ(p)Γ(q)\Gamma(p)\Gamma(q) sebagai integral rangkap, lalu substitusikan (x,y)=(uv, u(1−v))(x, y) = (uv,\, u(1 - v)) (yakni sebuah difeomorfisma dari kuadran terbuka ke (0, ∞)×(0, 1)\intoo0\infty\times\intoo01; hitunglah Jacobinya =u= u) lalu simpulkan

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

Turunkan ∫0π/2sin⁡2p−1θcos⁡2q−1θ  ⁣dθ=12B(p,q)\int_0^{\pi/2}\sin^{2p-1}\theta\cos^{2q-1}\theta\, \dd\theta = \frac12B(p,q) beserta nilai integral Wallis Wn=∫0π/2sin⁡nW_n = \int_0^{\pi/2}\sin^n.

Solusi

Solusi Latihan 11.8.

Lewat Tonelli (sebab integrannya positif) dan penggantian variabel (x,y)=Φ(u,v)=(uv, u(1−v))(x, y) = \Phi(u, v) = (uv,\ u(1-v)), yakni sebuah difeomorfisma C1\mathcal C^1 dari (0, ∞)×(0, 1)\intoo0\infty\times\intoo01 ke kuadran terbuka dengan

det⁡DΦ=det⁡(vu1−v−u)=−uv−u(1−v)=−u,∣det⁡∣=u:\det D\Phi = \det\begin{pmatrix} v & u\\ 1 - v & -u \end{pmatrix} = -uv - u(1 - v) = -u, \qquad \abs{\det} = u :
Γ(p)Γ(q)=∬xp−1yq−1e−x−y ⁣dx  ⁣dy=∬(uv)p−1(u(1−v))q−1e−u u  ⁣du  ⁣dv=Γ(p+q) B(p,q).\Gamma(p)\Gamma(q) = \iint x^{p-1}y^{q-1}\eu^{-x-y}\dd x\,\dd y = \iint (uv)^{p-1}\bigl(u(1{-}v)\bigr)^{q-1}\eu^{-u}\,u\, \dd u\,\dd v = \Gamma(p + q)\,B(p, q).

Lalu substitusi t=sin⁡2θt = \sin^2\theta pada B(p,q)B(p,q) memberikan 2∫0π/2sin⁡2p−1θcos⁡2q−1θ  ⁣dθ=B(p,q)2\int_0^{\pi/2}\sin^{2p-1}\theta\cos^{2q-1}\theta\,\dd\theta = B(p, q). Untuk Wallis: Wn=∫0π/2sin⁡nθ  ⁣dθ=12B(n+12,12)=Γ(n+12)π2 Γ(n2+1)W_n = \int_0^{\pi/2}\sin^n\theta\,\dd\theta = \frac12B\bigl(\frac{n + 1}2, \frac12\bigr) = \frac{\Gamma(\frac{n+1}2)\sqrt\pi} {2\,\Gamma(\frac n2 + 1)} — misalnya W2n=π2⋅(2n)!4n(n!)2W_{2n} = \frac\pi2\cdot\frac{(2n)!}{4^n(n!)^2} dengan memakai Γ(n+12)=(2n)!4nn!π\Gamma(n + \frac12) = \frac{(2n)!}{4^nn!}\sqrt\pi.

Latihan 11.9 ★★

(Rumus pemindahan) Misalkan T ⁣:(X,A,μ)→(Y,B)T \colon (X, \mathcal A, \mu) \to (Y, \mathcal B) terukur dan T∗μ(B)=μ(T−1(B))T_*\mu(B) = \mu(T^{-1}(B)) yakni ukuran peta maju. Tunjukkan bahwa untuk setiap g≥0g \geq 0 yang terukur pada YY:

∫Yg  ⁣d(T∗μ)=∫Xg∘T  ⁣dμ\int_Y g\,\dd(T_*\mu) = \int_X g\circ T\,\dd\mu

(lewat mesin bakunya). Lalu bandingkan dengan Teorema 11.10: keterangan tambahan apa yang dibawa rumus penggantian variabelnya, yang tak dibawa rumus pemindahan abstraknya? (Sebab rumus pemindahannya tak pernah mengenali T∗μT_*\mu; sedangkan teorema penggantian variabelnya menghitung T∗λdT_*\lambda_d secara eksplisit sebagai ukuran berkepadatan.)

Solusi

Solusi Latihan 11.9.

Untuk indikatornya: ∫1B  ⁣d(T∗μ)=T∗μ(B)=μ(T−1B)=∫1B∘T  ⁣dμ\int\mathbf 1_B\,\dd(T_*\mu) = T_*\mu(B) = \mu(T^{-1}B) = \int\mathbf 1_B\circ T\,\dd\mu; lalu kelinearannya memperluasnya ke gg yang sederhana, dan kekonvergenan monotonnya ke g≥0g \geq 0 — yakni rumus pemindahannya. Ia murni formal: sebab ia menyatakan ulang integral terhadap T∗μT_*\mu tetapi tak mengatakan apa pun tentang T∗μT_*\mu itu apa. Sedangkan isi Teorema 11.10 dan Teorema 11.11 adalah pengenalannya

Φ∗(λd↾U)=∣det⁡DΦ−1∣ λd↾V(yakni ukuran berkepadatan),\Phi_*\bigl(\lambda_d\restriction_U\bigr) = \abs{\det D\Phi^{-1}}\,\lambda_d\restriction_V \quad\text{(yakni ukuran berkepadatan)},

yakni sebuah perhitungan peta maju ukuran Lebesgue — dengan masukan analitisnya berupa geometri diferensial Φ\Phi, bukan formalisme teori ukuran.

Latihan 11.10 ★★★

(Momen Gauss) Dengan koordinat kutub dan Fubini, hitunglah untuk bobot Gauss baku pada Rd\R^d:

∫Rd∥x∥22  e−∥x∥22  ⁣dxdan∫Rdx12 e−∥x∥22  ⁣dx,\int_{\R^d}\norm x_2^2\;\eu^{-\norm x_2^2}\,\dd x \qquad\text{dan}\qquad \int_{\R^d}x_1^2\,\eu^{-\norm x^2_2}\,\dd x,

lalu periksa kekonsistenannya (sebab ∥x∥2=∑xi2\norm x^2 = \sum x_i^2), dan turunkan momen kedua ukuran π−d/2e−∥x∥2 ⁣dx\pi^{-d/2}\eu^{-\norm x^2}\dd x.

Solusi

Solusi Latihan 11.10.

Lewat Tonelli fungsi Gaussnya terfaktorkan, sehingga dengan G1=∫Re−s2 ⁣ds=πG_1 = \int_\R\eu^{-s^2}\dd s = \sqrt\pi dan ∫Rs2e−s2 ⁣ds=π2\int_\R s^2\eu^{-s^2}\dd s = \frac{\sqrt\pi}2 (lewat pengintegralan parsial):

∫Rdx12 e−∥x∥2 ⁣dx=π2  π(d−1)/2=πd/22,∫Rd∥x∥2e−∥x∥2 ⁣dx=d⋅πd/22\int_{\R^d}x_1^2\,\eu^{-\norm x^2}\dd x = \frac{\sqrt\pi}2\;\pi^{(d-1)/2} = \frac{\pi^{d/2}}2, \qquad \int_{\R^d}\norm x^2\eu^{-\norm x^2}\dd x = d\cdot\frac{\pi^{d/2}}2

(sebab menurut kesetangkupannya, ∥x∥2=∑ixi2\norm x^2 = \sum_ix_i^2 menyumbang dd suku yang sama — yakni pemeriksaan kekonsistenannya). Untuk ukuran yang ternormalkan π−d/2e−∥x∥2 ⁣dx\pi^{-d/2}\eu^{-\norm x^2}\dd x, momen keduanya adalah d2\frac d2.

Latihan 11.11 ★★

(Grafik dan hipograf) Misalkan f ⁣:Rd→[0, ∞)f \colon \R^d \to \intco0\infty terukur. (a) Tunjukkan bahwa hipograf H={(x,y)∈Rd×R:0<y<f(x)}H = \{(x, y) \in \R^d\times\R : 0 < y < f(x)\} terukur di Rd+1\R^{d+1} dengan

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

yakni “integralnya adalah luas di bawah grafiknya”, akhirnya menjadi sebuah teorema. (Pakai penampangnya; lalu Tonelli.) (b) Tunjukkan bahwa grafik {(x,f(x)):x∈Rd}\{(x, f(x)) : x \in \R^d\} merupakan himpunan nol di Rd+1\R^{d+1}. (c) Turunkan bukti dua baris bahwa bola Sd−1S^{d-1} bersifat nol-Lebesgue di Rd\R^d.

Solusi

Solusi Latihan 11.11.

(a) Berlaku H=Φ−1((0, ∞))H = \Phi^{-1}(\intoo0\infty) untuk Φ(x,y)=f(x)−y\Phi(x, y) = f(x) - y yang diiriskan dengan {y>0}\{y > 0\}: yang terukur, sebab (x,y)↦f(x)(x, y) \mapsto f(x) dan (x,y)↦y(x,y)\mapsto y terukur pada hasil kalinya (lewat komposisi dengan proyeksinya). Sedangkan penampang-xx dari HH adalah (0, f(x))\intoo0{f(x)}, yang berukuran f(x)f(x): sehingga Tonelli mengintegralkan penampangnya,

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

(b) Grafiknya adalah {(x,y):y≥f(x)}∩{y≤f(x)}\{(x,y) : y \geq f(x)\} \cap \{y \leq f(x)\}, yang terukur; sedangkan penampang-xx-nya berupa himpunan tunggal, yang berukuran 00: sehingga Tonelli memberikan λd+1(grafik)=∫0=0\lambda_{d+1}(\text{grafik}) = \int 0 = 0.

(c) Bola Sd−1S^{d-1} adalah gabungan dua grafik y=±1−∣x′∣2y = \pm\sqrt{1 - \abs{x'}^2} atas bola satuan Rd−1\R^{d-1} (dengan memisahkan koordinat terakhirnya): yakni gabungan dua himpunan nol menurut (b), jadi nol.

Latihan 11.12 ★★

(Sebuah integral rangkap yang termasyhur) Dengan deret geometri dan Tonelli pada (0, 1)2\intoo01^2, buktikan bahwa

∫01 ⁣ ⁣∫01 ⁣dx  ⁣dy1−xy=∑n≥11n2=ζ(2),∫01 ⁣ ⁣∫01 ⁣dx  ⁣dy1+xy=∑n≥1(−1)n−1n2=ζ(2)2.\int_0^1\!\!\int_0^1\frac{\dd x\,\dd y}{1 - xy} = \sum_{n\geq1}\frac1{n^2} = \zeta(2), \qquad \int_0^1\!\!\int_0^1\frac{\dd x\,\dd y}{1 + xy} = \sum_{n\geq1}\frac{(-1)^{n-1}}{n^2} = \frac{\zeta(2)}2 .

(Untuk identitas deret keduanya: pisahkan indeks genap dan gasalnya.) Dengan ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6 (Bab 15), dua integral yang tampak tak berbahaya bernilai π26\frac{\pi^2}6 dan π212\frac{\pi^2}{12}; lalu di manakah tepatnya hipotesis kepositifan Tonelli menjalankan tugasnya?

Solusi

Solusi Latihan 11.12.

Pada (0, 1)2\intoo01^2, 11−xy=∑n≥0(xy)n\frac1{1 - xy} = \sum_{n\geq0}(xy)^n dengan suku tak negatif: sehingga Tonelli mengizinkan pengintegralan suku demi suku,

∬ ⁣dx  ⁣dy1−xy=∑n≥0(∫01xn ⁣dx)(∫01yn ⁣dy)=∑n≥01(n+1)2=ζ(2).\iint\frac{\dd x\,\dd y}{1 - xy} = \sum_{n\geq0}\Bigl(\int_0^1x^n\dd x\Bigr) \Bigl(\int_0^1y^n\dd y\Bigr) = \sum_{n\geq0}\frac1{(n+1)^2} = \zeta(2) .

Untuk kasus berganti tandanya, 11+xy=∑n(−1)n(xy)n\frac1{1 + xy} = \sum_n(-1)^n(xy)^n bukan deret positif; tetapi integral deret mutlaknya bernilai ζ(2)<∞\zeta(2) < \infty, sehingga Fubini (dengan keterintegralan yang kini tegak) berlaku: ∬ ⁣dx ⁣dy1+xy=∑n(−1)n(n+1)2\iint\frac{\dd x\dd y}{1 + xy} = \sum_n\frac{(-1)^n}{(n+1)^2}. Untuk identitas deretnya:

∑n≥1(−1)n−1n2=∑n≥11n2−2∑k≥11(2k)2=ζ(2)−ζ(2)2=ζ(2)2.\sum_{n\geq1}\frac{(-1)^{n-1}}{n^2} = \sum_{n\geq1}\frac1{n^2} - 2\sum_{k\geq1}\frac1{(2k)^2} = \zeta(2) - \frac{\zeta(2)}2 = \frac{\zeta(2)}2 .

Dengan ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6 (Soal 15.1): kedua integralnya bernilai π26\frac{\pi^2}6 dan π212\frac{\pi^2}{12}. Kepositifan Tonelli adalah segalanya pada perhitungan pertamanya — sebab tak ada pemeriksaan keterintegralan yang perlu sebelum menukarnya; sedangkan pada yang kedua, kepositifan deret mutlaknyalah yang menyahihkan keterintegralannya sehingga Fubini boleh berjalan pada deret bertandanya.

11.5 Soal: rumus Stirling

Soal 11.1

Soal akhir pekan — n!∼2πn (n/e)nn! \sim \sqrt{2\pi n}\,(n/\eu)^n, lewat kekonvergenan terdominasi

Rumus Stirling menguasai setiap pencacahan asimtotik di buku ini — yakni volume bola, koefisien binomial, dan bentuk lokal teorema limit pusat. Kita membuktikannya dari integral Γ\Gamma (Contoh 10.16) dengan metode Laplace, dalam bentuk kekonvergenan terdominasinya yang paling bersih, lalu memungut buah hasilnya.

Bagian I — Rumusnya. Untuk t>0t > 0, Γ(t+1)=∫0∞xte−x ⁣dx\Gamma(t + 1) = \int_0^\infty x^{t}\eu^{-x}\dd x.

  1. Substitusikan x=t+t ux = t + \sqrt t\,u lalu tunjukkan bahwa

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

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

  2. Tunjukkan limit titik demi titiknya: untuk setiap uu yang tetap, gt(u)→e−u2/2g_t(u) \to \eu^{-u^2/2} saat t→+∞t \to +\infty (uraikan ln⁡(1+h)\ln(1 + h) sampai orde kedua).
  3. Dominasinya. Misalkan φ(h)=ln⁡(1+h)−h\varphi(h) = \ln(1 + h) - h, sehingga gt(u)=exp⁡(t φ(u/t))g_t(u) = \exp\bigl(t\,\varphi(u/\sqrt t)\bigr) untuk u>−tu > -\sqrt t. Buktikan kedua batas

    φ(h)≤−h24(−1<h≤1),φ(h)≤−c h(h≥1),  c=1−ln⁡2>0\varphi(h) \leq -\frac{h^2}4 \quad (-1 < h \leq 1), \qquad \varphi(h) \leq -c\,h \quad (h \geq 1),\ \ c = 1 - \ln 2 > 0

    (pelajarilah φ(h)+h24\varphi(h) + \frac{h^2}4 dan φ(h)+ch\varphi(h) + ch: hitunglah turunannya lalu periksa tandanya pada masing-masing selangnya). Lalu turunkan, untuk t≥1t \geq 1:

    gt(u)≤e−u2/4  (∣u∣≤t),gt(u)≤e−cu  (u≥t),g_t(u) \leq \eu^{-u^2/4}\ \ (\abs u \leq \sqrt t), \qquad g_t(u) \leq \eu^{-cu}\ \ (u \geq \sqrt t),

    sehingga gt(u)≤e−u2/4+e−cu 1u>0g_t(u) \leq \eu^{-u^2/4} + \eu^{-cu}\,\mathbf 1_{u > 0}: yakni pendominasi terintegralkan yang tak bergantung pada t≥1t \geq 1.

  4. Simpulkan dengan teorema kekonvergenan terdominasi dan integral Gauss (Contoh 11.12):

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

    dan khususnya n!∼2πn (n/e)nn! \sim \sqrt{2\pi n}\,(n/\eu)^n.

Bagian II — Buah hasilnya.

  1. (Wallis) Dari Latihan 11.8, rumus bertipe W2n=π2(2nn)4−nW_{2n} = \frac\pi2\binom{2n}n4^{-n}: turunkanlah (2nn)∼4nπn\binom{2n}{n} \sim \frac{4^n}{\sqrt{\pi n}} dari Stirling, lalu periksalah terhadap rekursi Wn=n−1nWn−2W_{n} = \frac{n-1}nW_{n-2}.
  2. (Volume bolanya runtuh) Tunjukkan bahwa

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

    sehingga vd→0v_d \to 0 lebih cepat daripada barisan geometri mana pun; lalu carilah dimensi yang memaksimumkan vdv_d (secara numerik: d=5d = 5).

  3. (Pemusatan binomialnya — yakni cuplikan Bab 23) Dengan Stirling, tunjukkan taksiran lokalnya, untuk k=n/2+sn/2k = n/2 + s\sqrt n/2 dengan ss yang tetap dan nn genap:

    2−n(nk)  ∼  2πn  e−s2/2,2^{-n}\binom{n}{k} \;\sim\; \sqrt{\frac{2}{\pi n}}\;\eu^{-s^2/2},

    yakni profil Gauss diskretnya: de Moivre–Laplace dalam embrio.

  4. Di manakah tepatnya bukti Bagian I memakai: (i) kekonvergenan monoton atau terdominasi; (ii) integral Gaussnya; (iii) sifat keinvarianan ukuran Lebesgue? Satu kalimat masing-masing.

Bagian III — Suku galatnya: Stirling dengan palang. Tetapkan dn=ln⁡n!−(n+12)ln⁡n+n−ln⁡2πd_n = \ln n! - \bigl(n + \tfrac12\bigr)\ln n + n - \ln\sqrt{2\pi}, sehingga Bagian I mengatakan dn→0d_n \to 0.

  1. Tunjukkan bahwa dn−dn+1=(n+12)ln⁡(1+1n)−1d_n - d_{n+1} = \bigl(n + \tfrac12\bigr)\ln\bigl(1 + \tfrac1n\bigr) - 1.
  2. Dengan t=12n+1t = \frac1{2n+1}, periksalah n+1n=1+t1−t\frac{n+1}n = \frac{1+t}{1-t} lalu uraikan:

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

    lalu turunkan batas dua sisinya

    13(2n+1)2  <  dn−dn+1  <  112n−112(n+1).\frac1{3(2n+1)^2} \;<\; d_n - d_{n+1} \;<\; \frac1{12n} - \frac1{12(n+1)} .
  3. Teleskopkanlah (dengan memakai dm→0d_m \to 0) lalu periksa identitas aljabar yang menyenangkan 13(2m+1)2>112m+1−112(m+1)+1\frac1{3(2m+1)^2} > \frac1{12m+1} - \frac1{12(m+1)+1} untuk m≥1m \geq 1, untuk memperoleh pengapitan klasiknya

    2πn(ne)ne1/(12n+1)  <  n!  <  2πn(ne)ne1/(12n).\sqrt{2\pi n}\Bigl(\frac n\eu\Bigr)^n \eu^{1/(12n+1)} \;<\; n! \;<\; \sqrt{2\pi n}\Bigl(\frac n\eu\Bigr)^n\eu^{1/(12n)} .
  4. Dua akibatnya: (a) galat nisbi rumus Stirling bernilai <10−6< 10^{-6} segera setelah n≥83 334n \geq 83\,334; (b) taksirlah 100!100! sampai empat angka berarti dengan tangan dari pengapitannya (dengan 100!≈9.3326⋅10157100! \approx 9.3326\cdot 10^{157}), lalu takjublah sejenak pada ketelitian sebuah rumus asimtotik pada nn yang sangat berhingga.

Bagian IV — Jalur Wallis: Stirling tanpa fungsi Gauss. Secara historis konstanta 2π\sqrt{2\pi} datang dari Wallis, bukan dari Gauss; dan bagian ini membuktikan kembali Stirling secara bebas dari Bagian I–II, sehingga membuktikan kembali integral Gaussnya. Misalkan Wn=∫0π/2sin⁡nθ  ⁣dθW_n = \int_0^{\pi/2}\sin^n\theta\, \dd\theta.

  1. Tegakkanlah Wn=n−1nWn−2W_n = \frac{n-1}nW_{n-2} (lewat pengintegralan parsial), bentuk tertutupnya

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

    beserta identitas WnWn−1=π2nW_nW_{n-1} = \frac\pi{2n}.

  2. Dari kemonotonan (Wn)(W_n) turunkan W2n/W2n+1→1W_{2n}/W_{2n+1} \to 1, lalu

    W2n∼12πndan(2nn)4−nn⟶1π:W_{2n} \sim \frac12\sqrt{\frac\pi n} \qquad\text{dan}\qquad \binom{2n}n4^{-n}\sqrt n \longrightarrow \frac1{\sqrt\pi} :

    yakni teorema Wallis, yang diperoleh tanpa Stirling.

  3. Tunjukkan, lewat peneleskopan Bagian III saja (tanpa perlu nilai konstantanya), bahwa en=ln⁡n!−(n+12)ln⁡n+ne_n = \ln n! - (n + \frac12)\ln n + n konvergen ke suatu limit ℓ\ell; yang setara dengan n!∼K nn+1/2e−nn! \sim K\,n^{n+1/2}\eu^{-n} dengan K=eℓ>0K = \eu^\ell > 0 yang belum dikenali.
  4. Sisipkan keasimtotikan ini ke (2nn)4−nn\binom{2n}n4^{-n}\sqrt n lalu kenali, dengan memakai pertanyaan 14, satu-satunya nilai yang mungkin: K=2πK = \sqrt{2\pi}. Rakitlah logikanya: Bagian III–IV bersama memberikan bukti kedua yang lengkap bagi Stirling — dan karena itu, dengan menjalankan substitusi Bagian I secara mundur, sebuah penilaian bebas atas ∫Re−u2/2 ⁣du=2π\int_\R\eu^{-u^2/2}\dd u = \sqrt{2\pi}. Yakni dua tiang, yang masing-masingnya menopang yang lain.

Bagian V — Buah hasil terakhirnya.

  1. (Profil lokal yang lengkap) Untuk bilangan bulat ∣j∣≤Kn\abs j \leq K\sqrt n (dengan KK yang tetap), tunjukkan bahwa

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

    secara seragam terhadap jj (ambillah logaritmanya lalu pakailah ln⁡1−x1+y=−(x+y)+O(x2+y2)\ln \frac{1-x}{1+y} = -(x + y) + O(x^2 + y^2)). Inilah versi dua sisi pertanyaan 7 dan taksiran persis yang dikutip soal akhir pekan Bab 23.

  2. (Cuplikan Poisson) Tunjukkan dengan Stirling bahwa e−nnnn!∼12πn\eu^{-n}\dfrac{n^n}{n!} \sim \dfrac1{\sqrt{2\pi n}}: sehingga modus hukum Poisson bermean besar nn membawa massa ≈(2πn)−1/2\approx (2\pi n)^{-1/2}, persis seperti yang akan diramalkan teorema limit pusatnya.
  3. (Nisbah Gamma) Untuk a∈(0, 1)a \in \intoo01, buktikan Γ(n+a)Γ(n) na→1\dfrac{\Gamma(n + a)}{\Gamma(n)\,n^a} \to 1 dengan memakai batas kemiringan kelog-cembungan pada Soal 10.1 (yakni pertanyaan 14 di sana), lalu perluas ke setiap real a>0a > 0 lewat persamaan fungsionalnya. (Inilah arti “Γ(t+1)∼\Gamma(t+1) \sim Stirling” di antara bilangan bulatnya.)
  4. (Bola, sekali lagi) Dari vd=πd/2/Γ(d2+1)v_d = \pi^{d/2}/\Gamma(\frac d2 + 1): tabelkanlah v1,…,v7v_1, \dots, v_7 secara persis, periksalah keunimodalannya lewat vdvd−2=2πd\frac{v_d}{v_{d-2}} = \frac{2\pi}d (yang naik selama d<2πd < 2\pi dan turun sesudahnya), lalu buktikan identitas pembangkit yang mencolok

    ∑k≥0v2k x2k=eπx2:\sum_{k\geq0}v_{2k}\,x^{2k} = \eu^{\pi x^2} :

    yakni semua volume bola satuan berdimensi genap yang terkemas dalam satu eksponensial.

  5. (Keasimtotikan entropi) Untuk α∈(0, 1)\alpha \in \intoo01 yang tetap dengan αn∈N\alpha n \in \N, turunkan dari Stirling

    (nαn)  ∼  en H(α)2π α(1−α) n,H(α)=−αln⁡α−(1−α)ln⁡(1−α):\binom{n}{\alpha n} \;\sim\; \frac{\eu^{n\,H(\alpha)}} {\sqrt{2\pi\,\alpha(1-\alpha)\,n}}, \qquad H(\alpha) = -\alpha\ln\alpha - (1-\alpha)\ln(1-\alpha) :

    yakni laju pertumbuhan eksponensial koefisien binomialnya adalah entropi HH — lalu periksalah bahwa α=12\alpha = \frac12 memulihkan pertanyaan 5, dan bahwa H(α)<ln⁡2H(\alpha) < \ln2 untuk α≠12\alpha \neq \frac12 (sehingga binomial yang tak berpusat bersifat eksponensial terabaikan di dalam 2n2^n).

  6. (Luas permukaan) Luas bola satuan Sd−1S^{d-1} adalah sd−1=d vds_{d-1} = d\,v_d (yang dibuktikan sebagai Latihan 21.6 pada bab bentuk diferensial; di sini, terimalah sebagai definisinya). Tabelkanlah s0,…,s6s_0, \dots, s_6, temukan yang terbesar (yakni d−1=6d - 1 = 6 dengan s6=16π315≈33.07s_6 = \frac{16\pi^3}{15} \approx 33.07), lalu tunjukkan bahwa sd−1→0s_{d-1} \to 0 secara adigeometri pula — sebab bola berdimensi tinggi, menurut setiap tolok ukur Euclid, bersifat lenyap kecil.
  7. (Suku koreksi pertamanya) Turunkan dari pengapitan pertanyaan 11 bahwa dn=112n+O(1n2)d_n = \frac1{12n} + O\bigl(\frac1{n^2}\bigr), sehingga

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

    Periksalah di n=10n = 10: rumus telanjangnya memberikan 3 598 6963\,598\,696 (dengan galat nisbi 8.3⋅10−38.3\cdot10^{-3}), sedangkan yang terkoreksi 3 628 6853\,628\,685 terhadap 10!=3 628 80010! = 3\,628\,800 (dengan galat nisbi 3.2⋅10−53.2\cdot10^{-5}) — jadi satu suku deretnya membeli dua setengah angka.

  8. (Median Γ\Gamma) Tunjukkan bahwa

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

    yakni secara asimtotik, tepat separuh massa integran Γ\Gamma terletak di bawah modusnya x=tx = t. (Jalankan substitusi Bagian I pada integral yang terpancung; sebab pendominasi pertanyaan 3 sudah tersedia.)

  9. (Entropi, secara tak asimtotik) Untuk α∈(0, 12]\alpha \in \intoc0{\frac12} buktikan batas yang berlaku bagi setiap n≥1n \geq 1:

    ∑k=0⌊αn⌋(nk)  ≤  en H(α),\sum_{k=0}^{\lfloor\alpha n\rfloor}\binom nk \;\leq\; \eu^{n\,H(\alpha)} ,

    dengan membandingkan jumlahnya terhadap ∑k(nk)λk−αn\sum_k\binom nk\lambda^{k-\alpha n} untuk kemiringan λ=α1−α≤1\lambda = \frac{\alpha}{1-\alpha} \leq 1. Periksalah bahwa pemilihan λ\lambda ini optimal, lalu damaikan dengan pertanyaan 21: sebab laju eksponensial H(α)H(\alpha) pada pernyataan asimtotiknya tercapai oleh sebuah ketaksamaan satu baris tanpa keasimtotikan sama sekali.

Solusi

Solusi Soal 11.1.

1. Dengan x=t+t ux = t + \sqrt t\,u (sehingga  ⁣dx=t  ⁣du\dd x = \sqrt t\,\dd u; dan xx menjelajah (0, ∞)\intoo0\infty saat uu menjelajah (−t, ∞)\intoo{-\sqrt t}\infty):

Γ(t+1)=∫0∞xte−x ⁣dx=tte−tt∫−t∞exp⁡(tln⁡(1+ut)−t u) ⁣du,\Gamma(t{+}1) = \int_0^\infty x^t\eu^{-x}\dd x = t^t\eu^{-t}\sqrt t\int_{-\sqrt t}^{\infty} \exp\Bigl(t\ln\Bigl(1 + \frac u{\sqrt t}\Bigr) - \sqrt t\,u\Bigr)\dd u,

sebab xt=ttexp⁡(tln⁡(1+u/t))x^t = t^t\exp\bigl(t\ln(1 + u/\sqrt t)\bigr) dan e−x=e−te−tu\eu^{-x} = \eu^{-t}\eu^{-\sqrt tu}.

2. Untuk uu yang tetap dan t→∞t \to \infty: tln⁡(1+u/t)−tu=t(ut−u22t+o(1t))−tu=−u22+o(1)t\ln(1 + u/\sqrt t) - \sqrt tu = t\bigl(\frac u{\sqrt t} - \frac{u^2}{2t} + o(\frac1t)\bigr) - \sqrt tu = -\frac{u^2}2 + o(1): sehingga gt(u)→e−u2/2g_t(u) \to \eu^{-u^2/2}.

3. Tetapkan ψ1(h)=φ(h)+h24\psi_1(h) = \varphi(h) + \frac{h^2}4 pada (−1, 1]\intoc{-1}1: maka ψ1(0)=0\psi_1(0) = 0 dan ψ1′(h)=11+h−1+h2=h(h−1)2(1+h)\psi_1'(h) = \frac1{1+h} - 1 + \frac h2 = \frac{h(h-1)}{2(1+h)}, yang ≥0\geq 0 pada (−1, 0]\intoc{-1}0 dan ≤0\leq 0 pada [0, 1]\intcc01: sehingga ψ1≤0\psi_1 \leq 0, yakni φ(h)≤−h2/4\varphi(h) \leq -h^2/4 di sana. Tetapkan ψ2(h)=φ(h)+ch\psi_2(h) = \varphi(h) + ch pada [1, ∞)\intco1\infty dengan c=1−ln⁡2c = 1 - \ln2: maka ψ2(1)=ln⁡2−1+c=0\psi_2(1) = \ln2 - 1 + c = 0 dan ψ2′(h)=c−h1+h≤c−12<0\psi_2'(h) = c - \frac h{1+h} \leq c - \frac12 < 0: sehingga φ(h)≤−ch\varphi(h) \leq -ch untuk h≥1h \geq 1. Kini untuk t≥1t \geq 1: jika ∣u∣≤t\abs u \leq \sqrt t, maka gt(u)=etφ(u/t)≤e−t(u/t)2/4=e−u2/4g_t(u) = \eu^{t\varphi(u/\sqrt t)} \leq \eu^{-t(u/\sqrt t)^2/4} = \eu^{-u^2/4}; sedangkan jika u≥tu \geq \sqrt t, maka t φ(u/t)≤−ct⋅ut=−ct u≤−cut\,\varphi(u/\sqrt t) \leq -ct\cdot\frac u{\sqrt t} = -c\sqrt t\,u \leq -cu (sebab t≥1t \geq 1), sehingga gt(u)≤e−cug_t(u) \leq \eu^{-cu}. Karena itu gt≤e−u2/4+e−cu1u>0g_t \leq \eu^{-u^2/4} + \eu^{-cu}\mathbf 1_{u>0}, yang terintegralkan dan tak bergantung pada t≥1t \geq 1.

4. Lewat kekonvergenan terdominasi: ∫Rgt(u) ⁣du→∫Re−u2/2 ⁣du=2π\int_\R g_t(u)\dd u \to \int_\R\eu^{-u^2/2}\dd u = \sqrt{2\pi} (Contoh 11.12 ditambah penskalaan u↦2 uu\mapsto\sqrt2\,u). Lalu dengan pertanyaan 1:

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

5. Dari Latihan 11.8, W2n=π2 (2n)!4n(n!)2=π2 4−n(2nn)W_{2n} = \frac\pi2\,\frac{(2n)!}{4^n(n!)^2} = \frac\pi2\,4^{-n}\binom{2n}n. Lewat Stirling:

(2nn)=(2n)!(n!)2∼4πn (2n/e)2n2πn (n/e)2n=4nπn.\binom{2n}{n} = \frac{(2n)!}{(n!)^2} \sim \frac{\sqrt{4\pi n}\,(2n/\eu)^{2n}} {2\pi n\,(n/\eu)^{2n}} = \frac{4^n}{\sqrt{\pi n}} .

Maka W2n∼12π/nW_{2n} \sim \frac12\sqrt{\pi/n}, yang konsisten dengan rekursi Wn=n−1nWn−2W_n = \frac{n-1}nW_{n-2} (yang memaksa Wn∼Wn−2W_n \sim W_{n-2}, dan bersama WnWn−1⋅n=π2W_nW_{n-1}\cdot n = \frac\pi2 — yakni hubungan Wallis klasiknya — memberikan Wn∼π/(2n)W_n \sim \sqrt{\pi/(2n)}; jadi kedua keasimtotikannya bersesuaian).

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

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

secara adigeometri (sebab untuk d>2πe≈17d > 2\pi\eu \approx 17, setiap faktornya <1< 1 dan menyusut). Secara numerik v1=2v_1 = 2, v2≈3.14v_2 \approx 3.14, v3≈4.19v_3 \approx 4.19, v4≈4.93v_4 \approx 4.93, v5≈5.26v_5 \approx 5.26, dan v6≈5.17v_6 \approx 5.17: jadi maksimumnya di d=5d = 5.

7. Dengan k=n2+sn2k = \frac n2 + \frac{s\sqrt n}2 (yang bulat, nn genap, dan ss tetap): ambillah logaritma pada 2−n(nk)=2−nn!k!(n−k)!2^{-n}\binom nk = 2^{-n}\frac{n!}{k!(n-k)!} lalu terapkan Stirling pada ketiga faktorialnya. Dengan menulis k=n2(1+ε)k = \frac n2(1 + \varepsilon) dan n−k=n2(1−ε)n - k = \frac n2(1 - \varepsilon) dengan ε=s/n\varepsilon = s/\sqrt n:

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

sedangkan kurungnya adalah ε2+O(ε4)=s2n+O(n−2)\varepsilon^2 + O(\varepsilon^4) = \frac{s^2}n + O(n^{-2}): sehingga tampilannya menuju −s22+12ln⁡2πn-\frac{s^2}2 + \frac12\ln\frac2{\pi n} sampai o(1)o(1), yakni

2−n(nk)∼2πn  e−s2/2:2^{-n}\binom nk \sim \sqrt{\frac{2}{\pi n}}\;\eu^{-s^2/2} :

yakni profil Gauss lemparan koin, yang terukur — yaitu bentuk lokal de Moivre–Laplace, yang akan diglobalkan di Bab 23.

8. (i) Kekonvergenan terdominasinya mengubah limit titik demi titik dari pertanyaan 2 menjadi kekonvergenan integralnya, dengan memakai pendominasi pertanyaan 3. (ii) Integral Gaussnya menilaikan limit ∫e−u2/2=2π\int\eu^{-u^2/2} = \sqrt{2\pi} — sehingga konstanta Stirling 2π\sqrt{2\pi} adalah integral Gaussnya. (iii) Sedangkan substitusi x=t+tux = t + \sqrt tu merupakan penggantian variabel afin: yakni keinvarianan translasi dan aturan penskalaan ukuran Lebesgue (Teorema 11.10 dalam dimensi 11).

9. Uraikan kedua sukunya:

dn−dn+1=ln⁡n!(n+1)!+(n+32)ln⁡(n+1)−(n+12)ln⁡n−1=(n+12)ln⁡n+1n−1,d_n - d_{n+1} = \ln\frac{n!}{(n+1)!} + \Bigl(n + \frac32\Bigr)\ln(n+1) - \Bigl(n + \frac12\Bigr)\ln n - 1 = \Bigl(n + \frac12\Bigr)\ln\frac{n+1}n - 1,

sebab suku −ln⁡(n+1)-\ln(n+1) dan (n+32)ln⁡(n+1)(n + \frac32)\ln(n+1) bergabung menjadi (n+12)ln⁡(n+1)(n + \frac12)\ln(n+1).

10. Untuk t=12n+1t = \frac1{2n+1}: 1+t1−t=2n+22n=n+1n\frac{1+t}{1-t} = \frac{2n+2}{2n} = \frac{n+1}n, dan n+12=12tn + \frac12 = \frac1{2t}; lalu deret gasal ln⁡1+t1−t=2∑k≥0t2k+12k+1\ln\frac{1+t}{1-t} = 2\sum_{k\geq0}\frac{t^{2k+1}}{2k+1} memberikan

(n+12)ln⁡n+1n=∑k≥0t2k2k+1=1+t23+t45+⋯\Bigl(n + \frac12\Bigr)\ln\frac{n+1}n = \sum_{k\geq0}\frac{t^{2k}}{2k+1} = 1 + \frac{t^2}3 + \frac{t^4}5 + \cdots

Lalu kurangkan 11. Batas bawahnya: suku pertamanya saja, t23=13(2n+1)2\frac{t^2}3 = \frac1{3(2n+1)^2}. Batas atasnya: turunkan semua penyebutnya menjadi 33 lalu jumlahkan deret geometrinya: t23(1−t2)=13((2n+1)2−1)=112n(n+1)=112n−112(n+1)\frac{t^2}{3(1 - t^2)} = \frac1{3((2n+1)^2 - 1)} = \frac1{12n(n+1)} = \frac1{12n} - \frac1{12(n+1)}.

11. Dengan menjumlahkan batas atasnya dari nn sampai ∞\infty (memakai dm→0d_m \to 0): dn<112nd_n < \frac1{12n}. Untuk batas bawahnya: 112m+1−112(m+1)+1=12(12m+1)(12m+13)\frac1{12m+1} - \frac1{12(m+1)+1} = \frac{12}{(12m+1)(12m+13)}, dan

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

yang benar untuk m≥1m \geq 1. Lalu dengan menjumlahkan minoran teleskopik ini: dn>112n+1d_n > \frac1{12n+1}. Dan mengeksponensialkannya memberikan pengapitan klasik n!n!.

12. (a) Galat nisbinya =edn−1<e1/(12n)−1<1.112n= \eu^{d_n} - 1 < \eu^{1/(12n)} - 1 < \frac{1.1}{12n} untuk nn yang besar; jadi <10−6< 10^{-6} segera setelah 12n≥1.1⋅10612n \geq 1.1\cdot10^6, dan syarat n≥83 334n \geq 83\,334 sudah cukup (sebab 112n≤10−6\frac1{12n} \leq 10^{-6} sudah mengakibatkannya). (b) log⁡10(100!)=12log⁡10(200π)+200−100log⁡10e+d100log⁡10e=1.39906+200−43.42945+0.00036≈157.96997\log_{10}(100!) = \frac12\log_{10}(200\pi) + 200 - 100\log_{10}\eu + d_{100}\log_{10}\eu = 1.39906 + 200 - 43.42945 + 0.00036 \approx 157.96997, sehingga 100!≈100.96997⋅10157=9.333⋅10157100! \approx 10^{0.96997} \cdot 10^{157} = 9.333\cdot10^{157}; sedangkan jendela terjaminnya (e1/1201,e1/1200)(\eu^{1/1201}, \eu^{1/1200}) berlebar di bawah 10−610^{-6} secara nisbi — yakni rumus “asimtotik” yang, pada n=100n = 100, menjadi alat presisi.

13. Tulis sin⁡n=sin⁡n−2−sin⁡n−2cos⁡2\sin^n = \sin^{n-2} - \sin^{n-2}\cos^2, lalu integralkan suku keduanya secara parsial (dengan u=cos⁡θu = \cos\theta,  ⁣dv=sin⁡n−2cos⁡θ  ⁣dθ\dd v = \sin^{n-2}\cos\theta\,\dd\theta, dan v=sin⁡n−1n−1v = \frac{\sin^{n-1}}{n-1}):

∫0π/2sin⁡n−2cos⁡2=[cos⁡θ sin⁡n−1θn−1]0π/2+1n−1∫0π/2sin⁡n=Wnn−1.\int_0^{\pi/2}\sin^{n-2}\cos^2 = \Bigl[\cos\theta\,\frac{\sin^{n-1}\theta}{n-1}\Bigr]_0^{\pi/2} + \frac1{n-1}\int_0^{\pi/2}\sin^n = \frac{W_n}{n-1} .

Karena itu Wn=Wn−2−Wnn−1W_n = W_{n-2} - \frac{W_n}{n-1}, yakni Wn=n−1nWn−2W_n = \frac{n-1}nW_{n-2}. Dari W0=π2W_0 = \frac\pi2 dan W1=1W_1 = 1:

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

dengan mengubah faktorial rangkapnya lewat (2n)!!=2nn!(2n)!! = 2^nn! dan (2n−1)!!=(2n)!2nn!(2n-1)!! = \frac{(2n)!}{2^nn!}. Akhirnya nWnWn−1=(n−1)Wn−1Wn−2nW_nW_{n-1} = (n-1)W_{n-1}W_{n-2} menurut rekursinya: jadi konstan, sama dengan 1⋅W1W0=π21\cdot W_1W_0 = \frac\pi2.

14. Berlaku W2n+1≤W2n≤W2n−1W_{2n+1} \leq W_{2n} \leq W_{2n-1} (menurut kemonotonan titik demi titik sin⁡n\sin^n) dan W2n−1W2n+1=2n+12n→1\frac{W_{2n-1}}{W_{2n+1}} = \frac{2n+1}{2n} \to 1, yang menjepit W2nW2n+1→1\frac{W_{2n}}{W_{2n+1}} \to 1. Digabungkan dengan W2nW2n+1=π2(2n+1)W_{2n}W_{2n+1} = \frac{\pi}{2(2n+1)} (pertanyaan 13): W2n2∼π4nW_{2n}^2 \sim \frac\pi{4n}, sehingga W2n∼12πnW_{2n} \sim \frac12\sqrt{\frac\pi n} dan (2nn)4−n=2πW2n∼1πn\binom{2n}n4^{-n} = \frac2\pi W_{2n} \sim \frac1{\sqrt{\pi n}}.

15. Pertanyaan 9–10 tak pernah memakai nilai konstantanya: sebab dengan en=ln⁡n!−(n+12)ln⁡n+ne_n = \ln n! - (n+\frac12)\ln n + n, selisih en−en+1e_n - e_{n+1} terletak di (0,112n−112(n+1))\bigl(0, \frac1{12n} - \frac1{12(n+1)}\bigr), sehingga (en)(e_n) turun sedangkan (en−112n)(e_n - \frac1{12n}) naik: yakni barisan berdampingan, yang konvergen ke suatu ℓ\ell bersama. Karena itu n!∼Knn+1/2e−nn! \sim K n^{n+1/2}\eu^{-n} dengan K=eℓK = \eu^\ell.

16. Dengan menyubstitusikan Stirling berkonstanta tak dikenal ke binomial pusatnya:

(2nn)4−nn∼K (2n)2n+1/2e−2n(K nn+1/2e−n)2 4−nn=22n2 K n2n+1/2K2 n2n+1 4−nn=2K,\binom{2n}n4^{-n}\sqrt n \sim \frac{K\,(2n)^{2n+1/2}\eu^{-2n}}{\bigl(K\,n^{n+1/2} \eu^{-n}\bigr)^2}\,4^{-n}\sqrt n = \frac{2^{2n}\sqrt{2}\,K\,n^{2n+1/2}}{K^2\,n^{2n+1}} \,4^{-n}\sqrt n = \frac{\sqrt2}{K},

lalu pertanyaan 14 memaksa 2K=1π\frac{\sqrt2}K = \frac1{\sqrt\pi}: sehingga K=2πK = \sqrt{2\pi}. Jadi Bagian III–IV membuktikan kembali Stirling dari nol; dan memasukkannya ke identitas Bagian I menilaikan ∫Re−u2/2 ⁣du=2π\int_\R\eu^{-u^2/2}\dd u = \sqrt{2\pi} tanpa koordinat kutub: sehingga Wallis dan Gauss saling menopang.

17. Berlaku (2nn+j)(2nn)=(n!)2(n+j)! (n−j)!=∏i=1jn−i+1n+i\frac{\binom{2n}{n+j}}{\binom{2n}n} = \frac{(n!)^2}{(n+j)!\,(n-j)!} = \prod_{i=1}^{j}\frac{n-i+1}{n+i} untuk j≥0j \geq 0 (dan menurut kesetangkupannya untuk j<0j < 0). Dengan mengambil logaritmanya, bila 1≤i≤j≤Kn1 \leq i \leq j \leq K\sqrt n:

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

dan ∑i≤j(2i−1)=j2\sum_{i\leq j}(2i - 1) = j^2, sedangkan galatnya berjumlah O(j3/n2)=O(n−1/2)O(j^3/n^2) = O(n^{-1/2}): sehingga secara seragam, exp⁡(−j2n+O(n−1/2))\exp\bigl(-\frac{j^2}n + O(n^{-1/2})\bigr).

18. Berlaku e−nnnn!∼e−nnn2πn nne−n=12πn\eu^{-n}\frac{n^n}{n!} \sim \eu^{-n} \frac{n^n}{\sqrt{2\pi n}\,n^n\eu^{-n}} = \frac1{\sqrt{2\pi n}}. Variabel Poisson bermean nn mempunyai simpangan baku n\sqrt n, dan 12πn\frac1{\sqrt{2\pi n}} tepat merupakan tinggi puncak Gauss 1σ2π\frac1{\sigma\sqrt{2\pi}}: yakni teorema limit pusat lokalnya, yang dicuplik di modusnya.

19. Untuk a∈(0, 1)a \in \intoo01, lema kemiringan Soal 10.1 (yakni pertanyaan 14 di sana), yang diterapkan pada log⁡Γ\log\Gamma yang cembung di sekitar nn, memberikan (n−1)a≤Γ(n+a)Γ(n)≤na(n-1)^a \leq \frac{\Gamma(n+a)}{\Gamma(n)} \leq n^a: sehingga nisbahnya terhadap nan^a terjepit oleh (1−1n)a→1(1 - \frac1n)^a \to 1. Sedangkan untuk a=m+a′a = m + a' (dengan m∈Nm \in \N dan a′∈[0, 1)a' \in \intco01): Γ(n+a)=(n+a−1)⋯(n+a′)Γ(n+a′)\Gamma(n+a) = (n + a - 1) \cdots(n + a')\Gamma(n + a'), dan setiap dari mm faktornya bernilai n(1+O(1n))n(1 + O(\frac1n)): lalu kalikan taksirannya.

20. Rekursi vd=2πdvd−2v_d = \frac{2\pi}dv_{d-2} (dari Γ(d2+1)=d2Γ(d2)\Gamma(\frac d2 + 1) = \frac d2\Gamma(\frac d2)) memberikan, dari v1=2v_1 = 2 dan v2=πv_2 = \pi:

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

Nisbah 2πd\frac{2\pi}d melampaui 11 tepat untuk d≤6d \leq 6, sehingga setiap paritasnya naik lalu turun; dan secara numerik v4≈4.93v_4 \approx 4.93, v5≈5.26v_5 \approx 5.26, v6≈5.17v_6 \approx 5.17: jadi maksimum keseluruhannya di d=5d = 5. Untuk fungsi pembangkitnya: v2k=πkk!v_{2k} = \frac{\pi^k}{k!}, sehingga ∑kv2kx2k=eπx2\sum_kv_{2k}x^{2k} = \eu^{\pi x^2} — yakni semua volume bola berdimensi genap yang tergulung dalam satu eksponensial, sekaligus taksiran peluruhan adigeometri seketika bagi vdv_d.

21. Stirling pada pembilang dan penyebutnya, dengan k=αnk = \alpha n:

(nαn)∼2πn nn2παn (αn)αn 2π(1−α)n ((1−α)n)(1−α)n=enH(α)2πα(1−α)n,\binom n{\alpha n} \sim \frac{\sqrt{2\pi n}\,n^n} {\sqrt{2\pi\alpha n}\,(\alpha n)^{\alpha n}\, \sqrt{2\pi(1-\alpha)n}\,((1-\alpha)n)^{(1-\alpha)n}} = \frac{\eu^{nH(\alpha)}}{\sqrt{2\pi\alpha(1-\alpha)n}},

sebab nn/(αn)αn((1−α)n)(1−α)n=α−αn(1−α)−(1−α)n=enH(α)n^n/(\alpha n)^{\alpha n}((1-\alpha)n)^{(1-\alpha)n} = \alpha^{-\alpha n}(1-\alpha)^{-(1-\alpha)n} = \eu^{nH(\alpha)} (dengan pangkat nn-nya saling meniadakan: αn+(1−α)n=n\alpha n + (1-\alpha)n = n), dan e−n\eu^{-n}-nya meniadakan pula. Di α=12\alpha = \frac12: H=ln⁡2H = \ln2 dan prafaktornya adalah 2/(πn)\sqrt{2/(\pi n)} — yakni pertanyaan 5 lagi. Sedangkan kecekungan sejati HH (sebab turunan keduanya −1α(1−α)<0-\frac1{\alpha(1-\alpha)} < 0) menaruh maksimumnya ln⁡2\ln 2 hanya di α=12\alpha = \frac12: sehingga untuk α≠12\alpha \neq \frac12, (nαn)2−n≈e−n(ln⁡2−H(α))\binom n{\alpha n}2^{-n} \approx \eu^{-n(\ln2 - H(\alpha))} meluruh eksponensial — yakni mesin kombinatorik di balik setiap pernyataan pemusatan tentang lemparan koin.

22. Dari sd−1=dvds_{d-1} = dv_d dan pertanyaan 20:

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

yang secara numerik 2, 6.28, 12.57, 19.74, 26.32, 31.01, 33.072,\ 6.28,\ 12.57,\ 19.74,\ 26.32,\ 31.01,\ 33.07; dan s7=π43≈32.47<s6s_7 = \frac{\pi^4}3 \approx 32.47 < s_6: sehingga maksimumnya adalah bola-66. Lalu rekursi sd+1=(d+2) vd+2=(d+2) 2πd+2 vd=2πvd=2πd sd−1s_{d+1} = (d+2)\,v_{d+2} = (d+2)\,\frac{2\pi}{d+2}\,v_d = 2\pi v_d = \frac{2\pi}d\,s_{d-1} menunjukkan kenaikan yang digerakkan 2πd\frac{2\pi}d dan keruntuhan adigeometri yang sama seperti pada volumenya: sehingga lewat dimensi ketujuh, bola menyusut lenyap lebih cepat daripada barisan geometri mana pun.

23. Pertanyaan 11 mengatakan persis 112n+1<dn<112n\frac1{12n+1} < d_n < \frac1{12n}, dan

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

sehingga dn=112n+O(1n2)d_n = \frac1{12n} + O(\frac1{n^2}) dan edn=1+112n+O(1n2)\eu^{d_n} = 1 + \frac1{12n} + O(\frac1{n^2}); lalu mengalikannya dengan 2πn(n/e)n\sqrt{2\pi n}(n/\eu)^n memberikan rumus yang terkoreksi. Di n=10n = 10: 20π (10/e)10=7.92665×453999.3≈3 598 696\sqrt{20\pi}\,(10/\eu)^{10} = 7.92665 \times 453999.3 \approx 3\,598\,696, yang kurang 30 10430\,104 (dengan galat nisbi 8.3⋅10−38.3\cdot10^{-3}); sedangkan mengalikannya dengan 1+11201 + \frac1{120} memberikan 3 628 6853\,628\,685, yang kurang 115115 (dengan galat nisbi 3.2⋅10−53.2\cdot10^{-5}). Sedangkan pengapitannya sendiri memakukan 10!10! antara 3 598 696 e1/121≈3 628 5593\,598\,696\,\eu^{1/121} \approx 3\,628\,559 dan 3 598 696 e1/120≈3 628 8083\,598\,696\,\eu^{1/120} \approx 3\,628\,808 — jadi batas atasnya meleset delapan satuan pada tujuh angka.

24. Substitusi Bagian I x=t+t ux = t + \sqrt t\,u, yang diterapkan pada integral terpancungnya, memberikan

∫0txte−x  ⁣dx=tte−tt∫−t0gt(u)  ⁣du,\int_0^{t} x^{t}\eu^{-x}\,\dd x = t^{t}\eu^{-t}\sqrt t\int_{-\sqrt t}^{0} g_t(u)\,\dd u ,

sebab rentang 0≤x≤t0 \leq x \leq t menjadi −t≤u≤0-\sqrt t \leq u \leq 0. Pendominasi pertanyaan 3 menyelimuti gt1u<0g_t\mathbf 1_{u < 0} pula, sehingga kekonvergenan terdominasinya melahirkan

∫−t0gt(u)  ⁣du⟶∫−∞0e−u2/2 ⁣du=2π2,\int_{-\sqrt t}^{0}g_t(u)\,\dd u \longrightarrow \int_{-\infty}^{0}\eu^{-u^2/2}\dd u = \frac{\sqrt{2\pi}}2 ,

sedangkan pertanyaan 4 memberikan Γ(t+1)∼tte−tt 2π\Gamma(t+1) \sim t^t\eu^{-t}\sqrt t\,\sqrt{2\pi}. Jadi nisbahnya menuju 12\frac12. Secara peluang: sebuah peubah acak Gamma berbentuk besar menaruh separuh massanya secara asimtotik pada masing-masing sisi modusnya — yakni kesetangkupan teorema limit pusatnya, yang terbaca dari satu substitusi.

25. Misalkan λ=α1−α∈(0, 1]\lambda = \frac{\alpha}{1-\alpha} \in \intoc01. Untuk k≤⌊αn⌋≤αnk \leq \lfloor\alpha n\rfloor \leq \alpha n berlaku λk−αn≥1\lambda^{k - \alpha n} \geq 1, sehingga

∑k=0⌊αn⌋(nk)≤λ−αn∑k=0n(nk)λk=(λ−α(1+λ))n,\sum_{k=0}^{\lfloor\alpha n\rfloor}\binom nk \leq \lambda^{-\alpha n}\sum_{k=0}^{n}\binom nk\lambda^{k} = \Bigl(\lambda^{-\alpha}(1 + \lambda)\Bigr)^{n},

dan dengan λ=α1−α\lambda = \frac\alpha{1-\alpha}:

λ−α(1+λ)=α−α(1−α)α⋅11−α=α−α(1−α)−(1−α)=eH(α).\lambda^{-\alpha}(1+\lambda) = \alpha^{-\alpha}(1-\alpha)^{\alpha}\cdot\frac1{1-\alpha} = \alpha^{-\alpha}(1-\alpha)^{-(1-\alpha)} = \eu^{H(\alpha)} .

Keoptimalannya: dengan meminimumkan f(λ)=−αln⁡λ+ln⁡(1+λ)f(\lambda) = -\alpha\ln\lambda + \ln(1+\lambda) atas λ>0\lambda > 0, persamaan f′(λ)=−αλ+11+λ=0f'(\lambda) = -\frac\alpha\lambda + \frac1{1+\lambda} = 0 mempunyai satu-satunya solusi λ=α1−α\lambda = \frac\alpha{1-\alpha}, yang minimum sebab f′′>0f'' > 0 — yakni pilihan pemiringan eksponensial (Chernoff). Pendamaiannya: menurut pertanyaan 21 satu suku k=⌊αn⌋k = \lfloor\alpha n\rfloor saja sudah berorde enH(α)/2πα(1−α)n\eu^{nH(\alpha)}/\sqrt{2\pi\alpha(1-\alpha)n}, sehingga

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

sehingga laju H(α)H(\alpha)-nya persis, dan seluruh jumlahnya berbiaya paling banyak satu faktor n\sqrt n atas suku terbesarnya. Lalu dibagi 2n2^n, inilah batas ekor koin adilnya P(Sn≤αn)≤e−n(ln⁡2−H(α))\P(S_n \leq \alpha n) \leq \eu^{-n(\ln2 - H(\alpha))} — yakni pemusatan ukuran dalam satu baris.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium