Дан учебный пример с неправильным решением интеграла: «интеграл sin(x)/x dx от 0 до бесконечности равен 1». Найдите ошибку в рассуждении и укажите правильный результат и метод
Ошибка обычно в некорректном обмене пределов/интегрирования или в пренебрежении особенностью в нуле (нет равномерной сходимости). Правильный результат и корректный метод: 1) Ввести параметр s>0s>0s>0: I(s)=∫0∞e−sxsinxx dx.
I(s)=\int_{0}^{\infty} e^{-s x}\frac{\sin x}{x}\,dx. I(s)=∫0∞e−sxxsinxdx.
Для s>0s>0s>0 можно дифференцировать под знаком интеграла: I′(s)=−∫0∞e−sxsinx dx=−11+s2.
I'(s)=-\int_{0}^{\infty} e^{-s x}\sin x\,dx=-\frac{1}{1+s^2}. I′(s)=−∫0∞e−sxsinxdx=−1+s21.
Интегрируя по sss: I(s)=−arctans+C.
I(s)=-\arctan s+C. I(s)=−arctans+C.
Так как I(s)→0I(s)\to0I(s)→0 при s→∞s\to\inftys→∞, получаем C=π/2C=\pi/2C=π/2, значит I(s)=π2−arctans.
I(s)=\frac{\pi}{2}-\arctan s. I(s)=2π−arctans.
Беря предел s→0+s\to 0^+s→0+, ∫0∞sinxx dx=I(0)=π2.
\int_{0}^{\infty}\frac{\sin x}{x}\,dx=I(0)=\frac{\pi}{2}. ∫0∞xsinxdx=I(0)=2π. 2) Кратко о причине ошибки: нельзя подставлять предельное значение параметра (или менять пределы интегрирования и предельные операции) в случае несобственного или неравномерно сходящегося интеграла; это и приводит к ложному значению 111.
1) Ввести параметр s>0s>0s>0:
I(s)=∫0∞e−sxsinxx dx. I(s)=\int_{0}^{\infty} e^{-s x}\frac{\sin x}{x}\,dx.
I(s)=∫0∞ e−sxxsinx dx. Для s>0s>0s>0 можно дифференцировать под знаком интеграла:
I′(s)=−∫0∞e−sxsinx dx=−11+s2. I'(s)=-\int_{0}^{\infty} e^{-s x}\sin x\,dx=-\frac{1}{1+s^2}.
I′(s)=−∫0∞ e−sxsinxdx=−1+s21 . Интегрируя по sss:
I(s)=−arctans+C. I(s)=-\arctan s+C.
I(s)=−arctans+C. Так как I(s)→0I(s)\to0I(s)→0 при s→∞s\to\inftys→∞, получаем C=π/2C=\pi/2C=π/2, значит
I(s)=π2−arctans. I(s)=\frac{\pi}{2}-\arctan s.
I(s)=2π −arctans. Беря предел s→0+s\to 0^+s→0+,
∫0∞sinxx dx=I(0)=π2. \int_{0}^{\infty}\frac{\sin x}{x}\,dx=I(0)=\frac{\pi}{2}.
∫0∞ xsinx dx=I(0)=2π .
2) Кратко о причине ошибки: нельзя подставлять предельное значение параметра (или менять пределы интегрирования и предельные операции) в случае несобственного или неравномерно сходящегося интеграла; это и приводит к ложному значению 111.