Integral de Borwein

Summary

En matemáticas, una integral de Borwein es una integral con unas propiedades peculiares presentada por primera vez por los matemáticos David Borwein y Jonathan Borwein en 2001.[1]​ Las integrales de Borwein utilizan productos de senos cardinales sinc(ax), donde la función seno cardinal se define como sinc(x) = sen(x)/x para x distinto de 0, y sinc(0) = 1.[1][2]

Estas integrales presentan un aparente patrón regular que acaba rompiéndose de repente. Así,

Este esquema continúa hasta

Sin embargo, con el siguiente término, se produce el siguiente resultado:

En general, estas integrales tienen por valor π/2 cuando los denominadores impares 3, 5, 7… son sustituidos por cualesquier números reales positivos tales que la suma de sus inversos es menor que 1.

En el ejemplo anterior, 1/3 + 1/5 + … + 1/13 < 1, pero 1/3 + 1/5 + … + 1/15 > 1.

Al incluir el factor adicional en las integrales, el mismo patrón se mantiene durante más tiempo, concretamente se mantiene para los impares desde el 1 hasta en 111:

sin embargo para el siguiente,

En este caso el patrón se rompe porque 1/3 + 1/5 + … + 1/111 < 2, pero 1/3 + 1/5 + … + 1/113 > 2. El valor exacto de esta integral puede ser calculado mediante una fórmula general. Desarrollado, este valor concreto es:

lo cual es una fracción que involucra dos números de 2736 cifras.

El motivo por el que estos patrones, tanto el original como el extendido mediante el coseno, se acaban rompiendo se ha podido probar mediante una demostración intuitiva.[3]

Fórmula general

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Dada una sucesión de números reales distintos de 0,  , se puede construir una fórmula general para la integral[1]

 

Para establecer la fórmula, habrá que considerar las sumas a partir de los  . En particular, si   es una  -upla donde cada uno de los términos es  , entonces se puede escribir  , que es una especie de suma alterna de los  , y se puede establecer  , que puede ser 1 o -1. Con esta notación, el valor de esta integral es

 

donde

 

En el caso en que  , se tiene  .

Además, si hay un   tal que para cada   tenemos   y  , que significa que   es el primer valor cuando la suma parcial de los   primeros elementos de la sucesión excede de  , entonces   para cada  , pero

 

El primer ejemplo es el caso cuando  .

Nótese que, si  , entonces   and  , pero  , por lo que, como  , tenemos que

 

que se sigue cumpliendo incluso al eliminar cualquiera de los productos, pero

 

que es igual al valor dado anteriormente.

Referencias

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  1. a b c Borwein, David; Borwein, Jonathan M. (2001), «Some remarkable properties of sinc and related integrals», The Ramanujan Journal 5 (1): 73-89, ISSN 1382-4090, MR 1829810, doi:10.1023/A:1011497229317 .
  2. Baillie, Robert (2011). «Fun With Very Large Numbers». arXiv:1105.3943  [math.NT]. 
  3. Schmid, Hanspeter (2014), «Two curious integrals and a graphic proof», Elemente der Mathematik 69 (1): 11-17, ISSN 0013-6018, doi:10.4171/EM/239 .

Enlaces externos

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  • «La curiosa y desconcertante integral de Borwein». Microsiervos. Consultado el 5 de diciembre de 2018. 
  • «Patterns That Eventually Fail». Azimuth (en inglés). 20 de septiembre de 2018. Consultado el 5 de diciembre de 2018. 
  • «Breakdown». Futility Closet (en inglés). 2 de febrero de 2018. Consultado el 5 de diciembre de 2018. 
  •   Datos: Q3067015