Integral de Borwein

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 esquema regular que acaba rompiéndose de repente. Así,

${\displaystyle {\begin{aligned}&\int _{0}^{\infty }{\frac {\operatorname {sen}(x)}{x}}\,dx={\frac {\pi }{2}}\\[10pt]&\int _{0}^{\infty }{\frac {\operatorname {sen}(x)}{x}}{\frac {\operatorname {sen}(x/3)}{x/3}}\,dx={\frac {\pi }{2}}\\[10pt]&\int _{0}^{\infty }{\frac {\operatorname {sen}(x)}{x}}{\frac {\operatorname {sen}(x/3)}{x/3}}{\frac {\operatorname {sen}(x/5)}{x/5}}\,dx={\frac {\pi }{2}}\end{aligned}}}$

Este esquema continúa hasta

${\displaystyle \int _{0}^{\infty }{\frac {\operatorname {sen}(x)}{x}}{\frac {\operatorname {sen}(x/3)}{x/3}}\cdots {\frac {\operatorname {sen}(x/13)}{x/13}}\,dx={\frac {\pi }{2}}.}$

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

${\displaystyle {\begin{aligned}\int _{0}^{\infty }{\frac {\operatorname {sen}(x)}{x}}{\frac {\operatorname {sen}(x/3)}{x/3}}\cdots {\frac {\operatorname {sen}(x/15)}{x/15}}\,dx&={\frac {467807924713440738696537864469}{935615849440640907310521750000}}~\pi \\[5pt]&={\frac {\pi }{2}}-{\frac {6879714958723010531}{935615849440640907310521750000}}~\pi \\[5pt]&\simeq {\frac {\pi }{2}}-2.31\times 10^{-11}.\end{aligned}}}$

En general, estas integrales tienen por valor π/2 cuando los denominadores 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 ${\displaystyle \cos(x)}$, el esquema se puede prolongar más allá:

${\displaystyle \int _{0}^{\infty }2\cos(x){\frac {\operatorname {sen}(x)}{x}}{\frac {\operatorname {sen}(x/3)}{x/3}}\cdots {\frac {\operatorname {sen}(x/111)}{x/111}}\,dx={\frac {\pi }{2}},}$

pero

${\displaystyle \int _{0}^{\infty }2\cos(x){\frac {\operatorname {sen}(x)}{x}}{\frac {\operatorname {sen}(x/3)}{x/3}}\cdots {\frac {\operatorname {sen}(x/111)}{x/111}}{\frac {\operatorname {sen}(x/113)}{x/113}}\,dx<{\frac {\pi }{2}},}$

En este caso, 1/3 + 1/5 + … + 1/111 < 2, but 1/3 + 1/5 + … + 1/113 > 2.

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

Fórmula general

Dada una sucesión de números reales distintos de 0, ${\displaystyle a_{0},a_{1},a_{2},\ldots }$, se puede construir una fórmula general para la integral^[1]​

${\displaystyle \int _{0}^{\infty }\prod _{k=0}^{n}{\frac {\operatorname {sen}(a_{k}x)}{a_{k}x}}\,dx}$

Para establecer la fórmula, habrá que considerar las sumas a partir de los ${\displaystyle a_{k}}$. En particular, si ${\displaystyle \gamma =(\gamma _{1},\gamma _{2},\ldots ,\gamma _{n})\in \{\pm 1\}^{n}}$ es una ${\displaystyle n}$-upla donde cada uno de los términos es ${\displaystyle \pm 1}$, entonces se puede escribir ${\displaystyle b_{\gamma }=a_{0}+\gamma _{1}a_{1}+\gamma _{2}a_{2}+\cdots +\gamma _{n}a_{n}}$, que es una especie de suma alterna de los ${\displaystyle a_{k}}$, y se puede establecer ${\displaystyle \varepsilon _{\gamma }=\gamma _{1}\gamma _{2}\cdots \gamma _{n}}$, que puede ser 1 o -1. Con esta notación, el valor de esta integral es

${\displaystyle \int _{0}^{\infty }\prod _{k=0}^{n}{\frac {\operatorname {sen}(a_{k}x)}{a_{k}x}}\,dx={\frac {\pi }{2a_{0}}}C_{n}}$

donde

${\displaystyle C_{n}={\frac {1}{2^{n}n!\prod _{k=1}^{n}a_{k}}}\sum _{\gamma \in \{\pm 1\}^{n}}\varepsilon _{\gamma }b_{\gamma }^{n}\operatorname {sgn}(b_{\gamma })}$

En el caso en que ${\displaystyle a_{0}>|a_{1}|+|a_{2}|+\cdots +|a_{n}|}$, se tiene ${\displaystyle C_{n}=1}$.

Además, si hay un ${\displaystyle n}$ tal que para cada ${\displaystyle k=0,\ldots ,n-1}$ tenemos ${\displaystyle 0<a_{n}<2a_{k}}$ y ${\displaystyle a_{1}+a_{2}+\cdots +a_{n-1}<a_{0}<a_{1}+a_{2}+\cdots +a_{n-1}+a_{n}}$, que significa que ${\displaystyle n}$ es el primer valor cuando la suma parcial de los ${\displaystyle n}$ primeros elementos de la sucesión excede de ${\displaystyle a_{0}}$, entonces ${\displaystyle C_{k}=1}$ para cada ${\displaystyle k=0,\ldots ,n-1}$, pero

${\displaystyle C_{n}=1-{\frac {(a_{1}+a_{2}+\cdots +a_{n}-a_{0})^{n}}{2^{n-1}n!\prod _{k=1}^{n}a_{k}}}}$

El primer ejemplo es el caso cuando ${\displaystyle a_{k}={\frac {1}{2k+1}}}$.

Nótese que, si ${\displaystyle n=7}$, entonces ${\displaystyle a_{7}={\frac {1}{15}}}$ and ${\displaystyle {\frac {1}{3}}+{\frac {1}{5}}+{\frac {1}{7}}+{\frac {1}{9}}+{\frac {1}{11}}+{\frac {1}{13}}\approx 0.955}$, pero ${\displaystyle {\frac {1}{3}}+{\frac {1}{5}}+{\frac {1}{7}}+{\frac {1}{9}}+{\frac {1}{11}}+{\frac {1}{13}}+{\frac {1}{15}}\approx 1.02}$, por lo que, como ${\displaystyle a_{0}=1}$, tenemos que

${\displaystyle \int _{0}^{\infty }{\frac {\operatorname {sen}(x)}{x}}{\frac {\operatorname {sen}(x/3)}{x/3}}\cdots {\frac {\operatorname {sen}(x/13)}{x/13}}\,dx={\frac {\pi }{2}}}$

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

${\displaystyle {\begin{aligned}&\int _{0}^{\infty }{\frac {\operatorname {sen}(x)}{x}}{\frac {\operatorname {sen}(x/3)}{x/3}}\cdots {\frac {\operatorname {sen}(x/15)}{x/15}}\,dx\\[5pt]={}&{\frac {\pi }{2}}\left(1-{\frac {(3^{-1}+5^{-1}+7^{-1}+9^{-1}+11^{-1}+13^{-1}+15^{-1}-1)^{7}}{2^{6}\cdot 7!\cdot (1/3\cdot 1/5\cdot 1/7\cdot 1/9\cdot 1/11\cdot 1/13\cdot 1/15)}}\right)\end{aligned}}}$

que es igual al valor dado anteriormente.

Referencias

Enlaces externos

• Esta obra contiene una traducción derivada de «Borwein integral» de Wikipedia en inglés, publicada por sus editores bajo la Licencia de documentación libre de GNU y la Licencia Creative Commons Atribución-CompartirIgual 4.0 Internacional.
• «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.