Matematické Fórum

Nevíte-li si rady s jakýmkoliv matematickým problémem, toto místo je pro vás jako dělané.

Nástěnka
22. 8. 2021 (L) Přecházíme zpět na doménu forum.matweb.cz!
04.11.2016 (Jel.) Čtete, prosím, před vložení dotazu, děkuji!
23.10.2013 (Jel.) Zkuste před zadáním dotazu použít některý z online-nástrojů, konzultovat použití můžete v sekci CAS.

Nejste přihlášen(a). Přihlásit

#1 30. 04. 2016 11:21 — Editoval stuart clark (30. 04. 2016 11:22)

stuart clark
Příspěvky: 1015
Reputace:   
 

Definite Integral with fractional part

$\int_{0}^{1}\{(-1)^{\lfloor \frac{1}{x}\rfloor}\frac{1}{x}\}dx\;,$ Where $x=\lfloor x \rfloor +\{x\}.$

Offline

 

#2 10. 05. 2016 12:19 — Editoval Marian (10. 05. 2016 12:28) Příspěvek uživatele Marian byl skryt uživatelem Marian. Důvod: Vzhledem k následujícímu příspěvku již nepodstatné...

#3 10. 05. 2016 20:34 — Editoval Marian (11. 05. 2016 11:55)

Marian
Místo: Mosty u Jablunkova
Příspěvky: 2512
Škola: OU
Pozice: OA, VSB-TUO
Reputace:   67 
 

Re: Definite Integral with fractional part

Due to the erratic behavior of the compilation system on this web, I have prepared the solution in the form of the following LaTeX code. Please, compile the code in your editor (run pdflatex.exe) to produce the appropriate PDF-file or use the online compilation here.


(corrected - May 11, 11:51 a.m.)

Code:

\documentclass{article}
\usepackage{amsmath,amsfonts}
\usepackage{MnSymbol}
\def\N{\mathbb N}
\def\dx{\textnormal dx}
%
\thispagestyle{empty}
\parindent=0pt
%
%
\begin{document}
It is easy to see that
\[
\left\{(-1)^{\left\lfloor\frac{1}{x}\right\rfloor}\cdot\frac{1}{x}\right\}
 =\begin{cases}
  n-\tfrac{1}{x}    & x\in\left (\frac{1}{n},\frac{1}{n-1}\right ),\quad n\in\N ,\text{$n$ even},\\[2mm]
  \tfrac{1}{x}-(n-1)& x\in\left (\frac{1}{n},\frac{1}{n-1}\right ),\quad n\in\N ,\text{$n$ odd, $n\ge 3$}.
  \end{cases}
\]

Therefore,
\begin{align*}
I&=\int_{0}^{1}\left\{(-1)^{\left\lfloor\frac{1}{x}\right\rfloor}\cdot\frac{1}{x}\right\}\dx\\[2mm]
%-----
 &=\lim_{N\to\infty}\sum_{n=1}^{N}\int_{\frac{1}{n+1}}^{\frac{1}{n}}
   \left\{(-1)^{\left\lfloor\frac{1}{x}\right\rfloor}\cdot\frac{1}{x}\right\}\dx\\[2mm]
%-----
 &=\lim_{N\to\infty}\left (
   \sum_{\substack{n=2\\\text{$n$ even}}}^{2\left\lfloor\frac{N}{2}\right\rfloor}
   \int_{\frac{1}{n}}^{\frac{1}{n-1}}\left (n-\frac{1}{x}\right )\dx
   %
  +\sum_{\substack{n=3\\\text{$n$ odd}}}^{2\left\lfloor\frac{N-1}{2}\right\rfloor +1}
   \int_{\frac{1}{n}}^{\frac{1}{n-1}}\left (\frac{1}{x}-(n-1)\right )\dx
   \right )\\[2mm]
%-----
 &=\lim_{N\to\infty}\left (
   \sum_{\substack{n=2\\\text{$n$ even}}}^{2\left\lfloor\frac{N}{2}\right\rfloor}
   \bigl [nx-\ln (x)\bigr ]_{\frac{1}{n}}^{\frac{1}{n-1}}
   %
  +\sum_{\substack{n=3\\\text{$n$ odd}}}^{2\left\lfloor\frac{N-1}{2}\right\rfloor +1}
   \bigl [\ln (x)-(n-1)x\bigr ]_{\frac{1}{n}}^{\frac{1}{n-1}}
   \right )\\[2mm]
%-----
 &=\lim_{N\to\infty}\left (
   \sum_{\substack{n=2\\\text{$n$ even}}}^{2\left\lfloor\frac{N}{2}\right\rfloor}
   \left (\frac{1}{n-1}-\ln\left (\frac{n}{n-1}\right )\right )
   %
  +\sum_{\substack{n=3\\\text{$n$ odd}}}^{2\left\lfloor\frac{N-1}{2}\right\rfloor +1}
   \left (\ln\left (\frac{n}{n-1}\right )-\frac{1}{n}\right )
   \right )\\[2mm]
%-----
 &=\lim_{N\to\infty}\left (
   \sum_{\substack{n=2\\\text{$n$ even}}}^{2\left\lfloor\frac{N}{2}\right\rfloor}\frac{1}{n-1}
  -\sum_{\substack{n=3\\\text{$n$ odd}}}^{2\left\lfloor\frac{N-1}{2}\right\rfloor +1}\frac{1}{n}
   \right )
   %
  +\lim_{N\to\infty}\left (
   \sum_{\substack{n=2\\\text{$n$ even}}}^{2\left\lfloor\frac{N}{2}\right\rfloor}\ln\left (\frac{n-1}{n}\right )
  +\sum_{\substack{n=3\\\text{$n$ odd}}}^{2\left\lfloor\frac{N-1}{2}\right\rfloor +1}\ln\left (\frac{n}{n-1}\right )
   \right )\\[2mm]
%-----
 &=1
  +\lim_{N\to\infty}
   \ln\left (
   \prod_{n=1}^{\left\lfloor\frac{N}{2}\right\rfloor}\frac{2n-1}{2n}\cdot
   \prod_{n=1}^{\left\lfloor\frac{N-1}{2}\right\rfloor}\frac{2n+1}{2n}
   \right )\\[2mm]
%-----
 &=1
  +\lim_{N\to\infty}
   \ln\left (
   \prod_{n=1}^{\left\lfloor\frac{N}{2}\right\rfloor}\frac{(2n-1)(2n+1)}{(2n)^2}\right )\\[2mm]
%-----
 &=1+\ln\left (\frac{2}{\pi}\right ),
%-----
\end{align*}
where we used the well-known Wallis' product.
\end{document}

To editors: Feel free to edit the source code and to retype it in a way that enables the compilation with the system used on this forum.

Offline

 

#4 01. 06. 2016 05:00

stuart clark
Příspěvky: 1015
Reputace:   
 

Re: Definite Integral with fractional part

Thanks ↑ Marian:

Offline

 

Zápatí

Powered by PunBB
© Copyright 2002–2005 Rickard Andersson