integral

Messaggioda contrattivo » 22/12/2012, 09:59

$ int_(0)^(+ oo)cos(x^2)dx $
if impose $ t=x^2rarr dx=dt/(2sqrt(t)) $
$ int_(0)^(+ oo)(cos(t)dt)/(2sqrt(t))<= int_(0)^(+ oo)1/(2sqrt(t))dt $
For this is divergent: $ (0, +oo) $ how can I prove that the integral exists?
contrattivo
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Re: integral

Messaggioda fu^2 » 25/12/2012, 16:53

you can split it into two interval, a neighborhood of zero and infinity... Because your upper boud works in $(0, M)$, for some fixed $M<\infty$, so that you have to study only its existence in $(M, \infty)$.
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Messaggioda Paolo90 » 26/12/2012, 18:52

contrattivo ha scritto:How can I prove that the integral exists?


The question is quite far from being trivial and the answer is not easy, indeed. The study of Fresnel integrals does require some tools from complex analysis.
"Immaginate un bravo matematico come qualcuno che ha preso dal tenente Colombo per le doti investigative, da Baudelaire per l’ispirazione, dal montatore Faussone per il rigore e l’amore per “le cose ben fatte”, da Ulisse per la curiosità, l’ardimento e l’insaziabilità di conoscenza." (AC)
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Re: integral

Messaggioda gugo82 » 28/12/2012, 01:11

contrattivo ha scritto:$ int_(0)^(+ oo)cos(x^2)dx $
if impose $ t=x^2rarr dx=dt/(2sqrt(t)) $
$ int_(0)^(+ oo)(cos(t)dt)/(2sqrt(t))<= int_(0)^(+ oo)1/(2sqrt(t))dt $
For this is divergent: $ (0, +oo) $ how can I prove that the integral exists?

I'm going to explain fu^2's answer in full detail.
Testo nascosto, fai click qui per vederlo
Just to fix our ideas, we choose \(M=\sqrt{\pi}\) (the reason for this choice will be evident in a moment); then, by the elementary properties of Riemann integral, we get:
\[
\int_0^\infty \cos x^2\ \text{d} t = \underbrace{\int_0^{\sqrt{\pi}} \cos x^2\ \text{d} x}_{=:I_1} + \underbrace{\int_{\sqrt{\pi}}^\infty \cos x^2\ \text{d} x}_{=:I_2}\; ;
\]
the integral \(I_1\) is finite, for \(\cos^2 x\) is a continuous function in \([0,\sqrt{\pi}]\), hence we have only to prove that \(I_2\) is finite.
In order to get the claim, let us consider the function:
\[
u(r) := \int_{\sqrt{\pi}}^r \cos x^2\ \text{d} x\; ,
\]
which rewrites:
\[
u(r) = \int_{\pi}^{r^2} \frac{\cos t}{\sqrt{t}}\ \text{d} t\; ;
\]
an integration by parts yields:
\[
u(r) = \frac{\sin t}{\sqrt{t}}\Big|_\pi^{r^2} + \frac{1}{2}\ \int_\pi^{r^2} \frac{\sin t}{t^{3/2}}\ \text{d} t
\]
therefore:
\[
u(r) = \frac{\sin r^2}{r} + \frac{1}{2}\ \int_\pi^{r^2} \frac{\sin t}{t^{3/2}}\ \text{d} t\; .
\]
Now we can pass to the limit to get:
\[
\begin{split}
I_2 &= \lim_{r\to \infty} u(r) \\
&= \lim_{r\to \infty} \frac{\sin r^2}{r} + \frac{1}{2}\ \int_\pi^{r^2} \frac{\sin t}{t^{3/2}}\ \text{d} t \\
&= \frac{1}{2}\ \int_\pi^\infty \frac{\sin t}{t^{3/2}}\ \text{d} t <\infty
\end{split}
\]
(the rightmost side is finite because \(\frac{\sin t}{t^{3/2}}\) decreases sufficiently fast at infinity).
It then follows that:
\[
\int_0^\infty \cos x^2\ \text{d} x = I_1+I_2<\infty
\]
i.e., that the improper Riemann integral of \(\cos x^2\) converges at \(\infty\).
Sono sempre stato, e mi ritengo ancora un dilettante. Cioè una persona che si diletta, che cerca sempre di provare piacere e di regalare il piacere agli altri, che scopre ogni volta quello che fa come se fosse la prima volta. (Freak Antoni)
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