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[求助] sin(x^2)定积分

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发表于 2015-2-6 13:31:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

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\(\displaystyle \int_0^{\infty} \sin{x^2} \dif x=\sqrt{\frac{\pi}{8}}\)
毋因群疑而阻独见  毋任己意而废人言
毋私小惠而伤大体  毋借公论以快私情
发表于 2015-2-6 23:21:59 | 显示全部楼层
菲涅耳积分

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fungarwai + 2 + 2 + 2 + 2 + 2

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毋因群疑而阻独见  毋任己意而废人言
毋私小惠而伤大体  毋借公论以快私情
发表于 2015-2-8 08:43:02 | 显示全部楼层
考虑
$$\int_{-\infty}^{+\infty} \exp(i \omega x^2)dx$$
的虚部即可。其中$\omega$是个实数,但是$\omega$是实数的时候,积分不是通常意义上的收敛,所以,可以令$\omega=1+i\varepsilon$,$\varepsilon > 0$,这样就可以算得收敛的积分,然后让$\varepsilon\to 0$。
毋因群疑而阻独见  毋任己意而废人言
毋私小惠而伤大体  毋借公论以快私情
发表于 2018-12-1 12:37:18 | 显示全部楼层
\begin{align*}
I(k)&=\int_0^{+\infty}e^{-kx^2}\sin x^2{\rm\,d}x\\
I^2(k)&=\left(\int_0^{+\infty}e^{-kx^2}\sin x^2{\rm\,d}x\right)^2\\
&=\int_0^{+\infty}\int_0^{+\infty}e^{-k\left(x^2+y^2\right)}\sin x^2\sin y^2{\rm\,d}x{\rm\,d}y\\
&=\int_0^{+\infty}\int_0^{+\infty}e^{-k\left(x^2+y^2\right)}\cdot\dfrac{\cos\left(x^2-y^2\right)-\cos\left(x^2+y^2\right)}{2}{\rm\,d}x{\rm\,d}y\\
&=-\dfrac{1}{2}\int_0^{+\infty}\int_0^{+\infty}e^{-k\left(x^2+y^2\right)}\cdot\left[\cos\left(x^2+y^2\right)-\cos\left(x^2-y^2\right)\right]{\rm\,d}x{\rm\,d}y\\
&=-\dfrac{1}{2}\int_0^{\frac{\pi}{2}}\int_0^{+\infty}e^{-k\,r^2}\cdot\left[\cos\left(r^2\right)-\cos\left(r^2\cos2\theta\right)\right]r{\rm\,d}r{\rm\,d}\theta\\
&=-\dfrac{1}{\color{red}{4}}\int_0^{\frac{\pi}{2}}\int_0^{+\infty}e^{-k\,r^2}\cdot\left[\cos\left(r^2\right)-\cos\left(r^2\cos2\theta\right)\right]{\rm\,d}r^2{\rm\,d}\theta\\
&=-\dfrac{1}{4}\int_0^{\frac{\pi}{2}}\int_0^{+\infty}e^{-k\,u}\cdot\left[\cos\left(u\right)-\cos\left(u\cos2\theta\right)\right]{\rm\,d}u{\rm\,d}\theta\\
&=-\dfrac{1}{4}\int_0^{\frac{\pi}{2}}\left[\dfrac{k}{k^2+1}-\frac{k}{k^2+\left(\cos2\theta\right)^2}\right]{\rm\,d}\theta\\
&=-\dfrac{1}{4}\int_0^{\frac{\pi}{2}}\dfrac{k}{k^2+1}{\rm\,d}\theta+\dfrac{1}{4}\int_0^{\frac{\pi}{2}}\frac{k}{k^2+\left(\cos2\theta\right)^2}{\rm\,d}\theta\\
&=-\dfrac{1}{4}\cdot\frac{\pi}{2}\cdot\dfrac{k}{k^2+1}+\dfrac{1}{8}\int_0^{\frac{\pi}{2}}\frac{k}{k^2+\left(\cos2\theta\right)^2}{\rm\,d}(2\theta)\\
&=-\dfrac{1}{4}\cdot\frac{\pi}{2}\cdot\dfrac{k}{k^2+1}+\dfrac{k}{8}\int_0^{\pi}\frac{1}{k^2+\cos^2\varphi}{\rm\,d}\varphi\\
&=-\dfrac{k\pi}{8\left(k^2+1\right)}+\dfrac{k}{8}\int_0^{\pi}\frac{{\rm\,d}\varphi}{k^2\cos^2\varphi+k^2\sin^2\varphi+\cos^2\varphi}\\
&=-\dfrac{k\pi}{8\left(k^2+1\right)}+\dfrac{k}{8}\int_0^{\pi}\frac{{\rm\,d}\varphi}{\left(k^2+1\right)\cos^2\varphi+k^2\sin^2\varphi}\\
&=-\dfrac{k\pi}{8\left(k^2+1\right)}+\dfrac{k}{8}\int_0^{\pi}\frac{\frac{1}{\cos^2\varphi}{\rm\,d}\varphi}{\left(k^2+1\right)+k^2\frac{\sin^2\varphi}{\cos^2\varphi}}\\
&=-\dfrac{k\pi}{8\left(k^2+1\right)}+\dfrac{k}{8}\int_0^{\pi}\frac{\frac{1}{k^2+1}{\rm\,d}\tan\varphi}{1+\frac{k^2}{k^2+1}\tan^2\varphi}\\
&=-\dfrac{k\pi}{8\left(k^2+1\right)}+\dfrac{k}{8}\cdot\frac{1}{k\sqrt{k^2+1}}\int_0^{\pi}\frac{\frac{k}{\sqrt{k^2+1}}{\rm\,d}\tan\varphi}{1+\frac{k^2}{k^2+1}\tan^2\varphi}\\
&=-\dfrac{k\pi}{8\left(k^2+1\right)}+\frac{1}{8\sqrt{k^2+1}}\int_0^{\pi}\frac{{\rm\,d}\left(\frac{k}{\sqrt{k^2+1}}\tan\varphi\right)}{1+\frac{k^2}{k^2+1}\tan^2\varphi}\\
&=-\dfrac{k\pi}{8\left(k^2+1\right)}+\frac{\pi}{8\sqrt{k^2+1}}\\
&={\color{blue}{\frac{\pi\left(\sqrt{k^2+1}-k\right)}{8\left(k^2+1\right)}}}\\
I(k)&=\int_0^{+\infty}e^{-kx^2}\sin x^2{\rm\,d}x\\
&={\color{red}{\sqrt{\frac{\pi\left(\sqrt{k^2+1}-k\right)}{8\left(k^2+1\right)}}\,}}
\end{align*}
\(I(k)=\dfrac{\sqrt{\pi}\sin\left(\frac{\cot^{-1}k}{2}\right)}{2\sqrt[4]{1+k^2}}\)
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