如何优雅地证明Integral[sin(1/x),{x,0,pi}]>pi/2?

2024-11-25 阅读 28

要证明\int_{0}^{\pi} \sin\left(\frac{1}{x}\right) dx > \frac{\pi}{2},可以采用反证法。首先假设\int_{0}^{\pi} \sin\left(\frac{1}{x}\right) dx \leq \frac{\pi}{2}

考虑到被积函数在区间\left(0, \frac{1}{\pi}\right)\left(\frac{1}{\pi}, \infty\right)上均为连续函数,可以将积分区间分为两部分:

\int_{0}^{\pi} \sin\left(\frac{1}{x}\right) dx = \int_{0}^{\frac{1}{\pi}} \sin\left(\frac{1}{x}\right) dx + \int_{\frac{1}{\pi}}^{\pi} \sin\left(\frac{1}{x}\right) dx

对于第一个积分\int_{0}^{\frac{1}{\pi}} \sin\left(\frac{1}{x}\right) dx,注意到\sin\left(\frac{1}{x}\right)\left(0, \frac{1}{\pi}\right)上是单调递减的,且\sin\left(\frac{1}{x}\right) > 0。因此:

\int_{0}^{\frac{1}{\pi}} \sin\left(\frac{1}{x}\right) dx > \int_{0}^{\frac{1}{\pi}} 0 dx = 0

对于第二个积分\int_{\frac{1}{\pi}}^{\pi} \sin\left(\frac{1}{x}\right) dx,注意到\sin\left(\frac{1}{x}\right)\left(\frac{1}{\pi}, \pi\right)上是单调递减的,且\sin\left(\frac{1}{x}\right) < 0。因此:

\int_{\frac{1}{\pi}}^{\pi} \sin\left(\frac{1}{x}\right) dx < \int_{\frac{1}{\pi}}^{\pi} 0 dx = 0

综合以上两个不等式,得到:

\int_{0}^{\pi} \sin\left(\frac{1}{x}\right) dx > 0

然而,这与我们的假设\int_{0}^{\pi} \sin\left(\frac{1}{x}\right) dx \leq \frac{\pi}{2}矛盾。因此,我们的假设是错误的,即\int_{0}^{\pi} \sin\left(\frac{1}{x}\right) dx > \frac{\pi}{2}成立。

更新于 2024年11月26日