Montrer ∫nπ (n+1)π|sint/t|dt≥2/(n+1)
时间: 2023-10-04 15:09:39 浏览: 82
首先,我们可以将绝对值符号去掉,因为被积函数在区间 $[n\pi,(n+1)\pi]$ 上恒为正。
然后,我们可以使用分部积分法来解决这个积分。
设 $u=\sin t$,$dv=\frac{dt}{t}$,则 $du=\cos t dt$,$v=\ln t$。
所以,原始积分化为:
$$\begin{aligned} \int_{n\pi}^{(n+1)\pi} \frac{\sin t}{t} dt &= \left[-\frac{\cos t}{t}\ln t\right]_{n\pi}^{(n+1)\pi} - \int_{n\pi}^{(n+1)\pi} \frac{\cos t}{t^2} dt \\ &= \frac{\cos(n\pi)}{n\pi}\ln(n\pi) - \frac{\cos((n+1)\pi)}{(n+1)\pi}\ln((n+1)\pi) - \int_{n\pi}^{(n+1)\pi} \frac{\cos t}{t^2} dt \\ &= \frac{(-1)^n}{n\pi}\ln(n\pi) - \frac{(-1)^{n+1}}{(n+1)\pi}\ln((n+1)\pi) - \int_{n\pi}^{(n+1)\pi} \frac{\cos t}{t^2} dt \end{aligned}$$
考虑到 $\cos t$ 在 $[n\pi,(n+1)\pi]$ 上恒为 $1$ 或 $-1$,所以:
$$\begin{aligned} \left|\int_{n\pi}^{(n+1)\pi} \frac{\cos t}{t^2} dt\right| &= \int_{n\pi}^{(n+1)\pi} \frac{|\cos t|}{t^2} dt \\ &\leq \int_{n\pi}^{(n+1)\pi} \frac{1}{t^2} dt \\ &= \frac{1}{n\pi} - \frac{1}{(n+1)\pi} \\ &= \frac{1}{n(n+1)\pi} \end{aligned}$$
因此,原始积分的下界为:
$$\begin{aligned} \int_{n\pi}^{(n+1)\pi} \frac{\sin t}{t} dt &\geq \frac{(-1)^n}{n\pi}\ln(n\pi) - \frac{(-1)^{n+1}}{(n+1)\pi}\ln((n+1)\pi) - \frac{1}{n(n+1)\pi} \\ &= \frac{(-1)^n}{n\pi}\ln\left(\frac{n\pi}{n+1}\right) + \frac{(-1)^n}{n(n+1)\pi} \end{aligned}$$
当 $n\geq 1$ 时,我们有:
$$\begin{aligned} \frac{(-1)^n}{n\pi}\ln\left(\frac{n\pi}{n+1}\right) + \frac{(-1)^n}{n(n+1)\pi} &\geq \frac{(-1)^n}{n\pi}\ln\left(\frac{\pi}{2}\right) + \frac{(-1)^n}{4n\pi} \\ &= \frac{(-1)^n}{n\pi}\left[\ln\left(\frac{\pi}{2}\right) - \frac{1}{4}\right] \\ &\geq \frac{(-1)^n}{n\pi}\cdot\frac{1}{4} \\ &= \frac{(-1)^n}{4n\pi} \end{aligned}$$
因此,原始积分的下界为:
$$\int_{n\pi}^{(n+1)\pi} \frac{\sin t}{t} dt \geq \frac{(-1)^n}{4n\pi}$$
我们还需要证明:
$$\frac{1}{(n+1)\pi} \geq \frac{(-1)^n}{4n\pi}$$
当 $n$ 为偶数时,左边不等式成立,右边不等式也成立。
当 $n$ 为奇数时,左边不等式变为:
$$\frac{1}{(n+1)\pi} > \frac{1}{4n\pi}$$
两边同时乘以 $4n(n+1)\pi$,得到:
$$4n > n + 1$$
这显然成立,因此右边不等式在所有 $n$ 的情况下都成立。
综上所述,我们证明了:
$$\int_{n\pi}^{(n+1)\pi} \frac{\sin t}{t} dt \geq \frac{(-1)^n}{4n\pi}$$
进而有:
$$\int_{n\pi}^{N\pi} \frac{|\sin t|}{t} dt \geq \sum_{k=n}^{N-1} \frac{1}{(2k+1)\pi} \geq \int_n^{N-1} \frac{dx}{(2x+1)\pi} = \frac{1}{2\pi}\ln\frac{2N+1}{2n+1}$$
当 $N\rightarrow\infty$ 时,有:
$$\int_{n\pi}^\infty \frac{|\sin t|}{t} dt \geq \frac{1}{2\pi}\ln(2n+1)$$
因此,原题中的不等式成立。
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