Φ(x,t)={1(4πt)n/2e−|x|24t,x∈Rn,t>00,x∈Rn,t<0
Fixados x∈Rn e t∈R, defina
E(x,t;r)={(y,s)∈Rn+1|s≤0,Φ(x−y,t−s)≥1rn}.
Problema: Calcular a integral múltipla abaixo. ∬E(0,0;1)|y|2s2dyds.
Observação: Para o caso n=1, o problema se reduz a calcular a integral dupla ∬Rx2y2dxdy, onde R representa a região

definida por R={(x,y)∈R2∣−14π≤y≤0,x2≤2yln(−4πy)}.
Origem do Problema: O livro Partial Differential Equations de L. C. Evans, na Seção 2.3.2 (que trata sobre a equação do calor) utiliza (no meio da demonstração do Teorema 3) o fato de que a integral (∗) vale exatamente 4. Apesar deste resultado não ser óbvio e nem fácil de obter, o livro não traz sequer uma palavra sobre como efetuar o cômputo desta integral. Nesta postagem apresentaremos o referido cômputo, que resulta de uma discussão ocorrida em 2013 no fórum Mathematics Stack Exchange.
Solução do Problema: Para x∈Rn e t>0, temos
Φ(x,t)=1(4πt)n/2e−|x|24t
Portanto, para y∈Rn e s<0,
Φ(−y,−s)≥1⟺1(−4πs)n/2e|y|24s≥1⟺(−4πs)n/2≤e|y|24s⟹(−4πs)n/2≤1⟺s≥−14πe
Φ(−y,−s)≥1⟺ln(1(−4πs)n/2e|y|24s)≥0⟺(−n/2)ln(−4πs)+|y|24s≥0⟺|y|2≤2nsln(−4πs)
Isto implica que
E(0,0;1)={(y,s)∈Rn+1∣s≤0,Φ(−y,−s)≥1}={(y,s)∈Rn+1|−14π≤s≤0,|y|2≤2nsln(−4πs)}
Assim,
∬E(0,0;1)|y|2s2dyds=∫0−14π∫|y|2≤2nsln(−4πs)|y|2s2dyds=∫0−14π∫√2nsln(−4πs)0∫∂B(0,r)|y|2s2dS(y)drds(coordenadas polares)=∫0−14π∫√2nsln(−4πs)0∫∂B(0,1)|rw|2s2rn−1dS(w)drds(mudança w=y/r)=∫0−14π∫√2nsln(−4πs)0∫∂B(0,1)rn+1s2dS(w)drds=med(∂B(0,1))∫0−14π∫√2nsln(−4πs)0rn+1s2drds=med(∂B(0,1))∫0−14π(2nsln(−4πs))(n+2)/2(n+2)s2ds=(2n)(n+2)/2(n+2)med(∂B(0,1))∫0−14π(sln(−4πs))(n+2)/2s2ds
Calculando esta última integral, obtemos
∫0−14π(sln(−4πs))(n+2)/2s2ds=∫01((−x4π)ln(x))(n+2)/2(−x4π)2(−14π)dx(mudança x=−4πs)=∫∞0(e−z4πz)(n+2)/2(−e−z4π)2(−14π)(−e−z)dz(mudança z=−ln(x))=1(4π)n/2∫∞0e−nz/2z(n+2)/2dz=1(4π)n/2∫∞0e−w(2wn)(n+2)/22ndw(mudança w=nz/2)=1(4π)n/2(2n)n/2+2∫∞0e−wwn/2+1dw=12nπn/22−n/2−2nn/2+2∫∞0e−wwn/2+2−1dw=1πn/22n/2−2nn/2+2Γ(2+n2)(definição da função gama)
Deste modo,
∬E(0,0;1)|y|2s2dyds=(2n)(n+2)/2(n+2)med(∂B(0,1))1πn/22n/2−2nn/2+2Γ(2+n2)=8med(∂B(0,1))n(n+2)πn/2Γ(2+n2)=8med(∂B(0,1))n(n+2)πn/2(1+n2)Γ(1+n2)(propriedade Γ(t+1)=tΓ(t))=4med(∂B(0,1))nπn/2Γ(1+n2)=4med(∂B(0,1))nπn/2n2Γ(n2)(mesma propriedade anterior)=4 med(∂B(0,1))Γ(n2)2πn/2=4(propriedade med(∂B(0,1))=2πn/2Γ(n/2))
Nota: A definição e as propriedades utilizadas da função gama podem ser encontradas nas páginas 7 e 8 da segunda edição do livro Introduction to partial differential equations de G. B. Folland.
Eu pensava que entendia alguma coisa de matemática.
ResponderExcluirCom certeza você sabe alguma coisa! Porém, em matemática, o nível de dificuldade sempre pode ser aumentado para um nível além do nosso.
ExcluirPedro R.
Este comentário foi removido pelo autor.
ResponderExcluir