3 svar
89 visningar
naytte 5010 – Moderator
Postad: 13 maj 22:09 Redigerad: 13 maj 22:14

Vad tycker ni om denna "integral"?

Halloj!

Jag sitter här med en, äh, "intressant" integral... Den ser ut på följande vis:

xdx-1\displaystyle \int_{}^{}\left(x^{\mathrm{d}x}-1\right)

Jag har två approaches som båda faktiskt levererar samma svar. Den andra hittade jag på YouTube. 


Approach 1:

Vi börjar med att förlänga integranden, om man ens kan kalla det för en integrand, men dx/dx\mathrm{d}x/\mathrm{d}x. Vi erhåller då följande integral:

xdx-1=xdx-1dxdx\displaystyle\int_{}^{}\left(x^{\mathrm{d}x}-1\right)=\int_{}^{}\frac{\left(x^{\mathrm{d}x}-1\right)}{\mathrm{d}x}\mathrm{d}x

Om vi betraktar dx\mathrm{d}x som en infinitesimal konstant (vilket man gör i t.ex. icke-standardanalys eller i Leibniz formuleringar av analysen) så kan vi säga att:

xdx-1dxlimh0xh-1h\displaystyle \frac{x^{\mathrm{d}x}-1}{\mathrm{d}x}\approx\lim_{h \to 0} \frac{x^h-1}{h}

Således påstår jag att man kan skriva om integralen och beräkna den så här:

xdx-1dxdxlnxdx=xlnx-x+C\displaystyle \implies \int_{}^{}\frac{\left(x^{\mathrm{d}x}-1\right)}{\mathrm{d}x}\mathrm{d}x\approx\int_{}^{}\ln x\mathrm{d}x=x\ln x-x+C


Approach 2 från YouTube:

Vi skriver om termen xdxx^{\mathrm{d}x} med basen ee och erhåller:

edxlnx-1\displaystyle \int_{}^{}\left( e^{\mathrm{d}x\ln x}-1 \right)

Vi utvecklar vidare termen med hjälp av potensserien för exe^x och ser att den första termen försvinner. Vidare ser vi att:

edxlnx-1=dxlnx+dx2ln2x2!+dx3ln3x3!+...\displaystyle \int_{}^{}\left( e^{\mathrm{d}x\ln x}-1 \right)=\int_{}^{}\mathrm{d}x\ln x+ \int_{}^{}\frac{\left(\mathrm{d}x\right)^2\ln^2 x}{2!} +\int_{}^{}\frac{\left(\mathrm{d}x\right)^3\ln^3x}{3!} +...

Eftersom alla integraler efter den första har en potens på infinitesimalen dx\mathrm{d}x som är större än 11 kan vi betrakta dem som nilpotenta ur vårt "reella" perspektiv och försumma dem. Det enda som blir kvar är då som förväntat:

dxlnx=xlnx-x+C\displaystyle \int_{}^{}\mathrm{d}x\ln x = x\ln x - x + C


Vad tänker ni om detta? 🙃

En kommentar från mig här är att vi betraktar integraltecknet som en operator och inte som något som "hör ihop" med differentialer, som man ofta lär sig på mer elementär nivå.

SaintVenant Online 3933
Postad: 13 maj 23:04 Redigerad: 13 maj 23:07

Det där är väl bara ett "trick" precis som:

edsinx\displaystyle \int e^{d\sin\left(x\right)}

Flammable har en genomgång av den.

Sedan att de hör ihop är väl lite Leibniz hela poäng. I alla fall om du vill att den kontinuerliga summan ska konvergera.

Approach 1 minns jag som speciellt knepig då den egentligen kräver bevis och inte direkt kan antas stämma. Rudin pratar om det och du kan se en liknande diskussion här:

https://www.quora.com/How-do-I-integrate-x-dx-1/answer/Alex-Moon-76?ch=15&oid=332249155&share=b2da09c6&srid=uSMxO&target_type=answer

Jag ber om ursäkt, men kan inte hålla mig! 

Frågan påminner om en nolleuppgift jag fick vid pass 1990:

Uppskatta denna integral: [insert horrible whatever here]

Rätt svar var förstås i stil med "Whoa!", "Coolt!", ... och inte typ πex+C.

🙃

naytte 5010 – Moderator
Postad: 13 maj 23:16

Sedan att de hör ihop är väl lite Leibniz hela poäng. I alla fall om du vill att den kontinuerliga summan ska konvergera.

Jo visst, åtminstone i bestämda integraler. Men jag tänkte mer på Leibniz idéer om att dx\mathrm{d}x är en infinitesimal och inte bara notation. Men ja, i en bestämd integral får vi naturligtvis svårigheter...

Approach 1 minns jag som speciellt knepig då den egentligen kräver bevis och inte direkt kan antas stämma.

Självklart inte! Jag har egentligen några tankar om varför det borde vara så men det sträcker sig utanför standardanalysen (vilket appraoch 2 gör också i och för sig...). I gängse icke-standardanalys brukar man definiera en binär relation \sim. Två objekt relaterade över denna relation har en infinitesimal differens. Det är lite så jag tänker här också. Min tanke är att:

xdx-1dxlimh0xh-1h\displaystyle \frac{x^{\mathrm{d}x}-1}{\mathrm{d}x}\sim \lim_{h \to 0} \frac{x^h-1}{h}

Man måste förstås acceptera att dx\mathrm{d}x är en infinitesimal som vilken annan, och inte får någon särskild mening av differentialoperatorn (som egentligen inte behöver betraktas som en operator i fallet för xx här!)

Intressant diskussion du länkade. Ska läsa igenom den mer i sin helhet imorgon!


Flammable har en genomgång av den.

Ska kolla in den!

Svara
Close