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sexta-feira, 27 de janeiro de 2017

Uma integral difícil


Seja Φ a solução fundamental da equação do calor, dada por
Φ(x,t)={1(4πt)n/2e|x|24t,xRn,t>00,xRn,t<0
Fixados  xRn e tR, defina
E(x,t;r)={(y,s)Rn+1|s0,Φ(xy,ts)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
"Bola do Calor" ("Heat Ball") para o caso n=1
definida por R={(x,y)R214πy0,x22yln(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 xRn e t>0, temos
Φ(x,t)=1(4πt)n/2e|x|24t
Portanto, para yRn e s<0,
Φ(y,s)11(4πs)n/2e|y|24s1(4πs)n/2e|y|24s(4πs)n/21s14π
e
Φ(y,s)1ln(1(4πs)n/2e|y|24s)0(n/2)ln(4πs)+|y|24s0|y|22nsln(4πs)
Isto implica que
E(0,0;1)={(y,s)Rn+1s0,Φ(y,s)1}={(y,s)Rn+1|14πs0,|y|22nsln(4πs)}
Assim,
E(0,0;1)|y|2s2dyds=014π|y|22nsln(4πs)|y|2s2dyds=014π2nsln(4πs)0B(0,r)|y|2s2dS(y)drds(coordenadas polares)=014π2nsln(4πs)0B(0,1)|rw|2s2rn1dS(w)drds(mudança w=y/r)=014π2nsln(4πs)0B(0,1)rn+1s2dS(w)drds=med(B(0,1))014π2nsln(4πs)0rn+1s2drds=med(B(0,1))014π(2nsln(4πs))(n+2)/2(n+2)s2ds=(2n)(n+2)/2(n+2)med(B(0,1))014π(sln(4πs))(n+2)/2s2ds
Calculando esta última integral, obtemos
014π(sln(4πs))(n+2)/2s2ds=01((x4π)ln(x))(n+2)/2(x4π)2(14π)dx(mudança x=4πs)=0(ez4πz)(n+2)/2(ez4π)2(14π)(ez)dz(mudança z=ln(x))=1(4π)n/20enz/2z(n+2)/2dz=1(4π)n/20ew(2wn)(n+2)/22ndw(mudança w=nz/2)=1(4π)n/2(2n)n/2+20ewwn/2+1dw=12nπn/22n/22nn/2+20ewwn/2+21dw=1πn/22n/22nn/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/22nn/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.

Referências: aqui e aqui.

3 comentários :

  1. Eu pensava que entendia alguma coisa de matemática.

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    1. Com certeza você sabe alguma coisa! Porém, em matemática, o nível de dificuldade sempre pode ser aumentado para um nível além do nosso.

      Pedro R.

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  2. Este comentário foi removido pelo autor.

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