Grenzwert einer reihe berechnen Wolfram Alpha

Also Folgendes: Ich möchte gerne diesen Ausdruck https://www.zahlen-kern.de/editor/equations/es7h.png bei WolframAlpha eingeben.

Nun ist meine Frage: Wie kann ich das am besten machen? Denn Wenn ich ´prod(integ(sin(x)^k)dx) x = 0 to Pi k = 0 to n´ eingebe, missinterpretiert der das sofort.

Also was muss ich WA sagen?

Danke schon mal für die Antworten! :) JTR

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2 Antworten

Grenzwert einer reihe berechnen Wolfram Alpha

hypergerd

Community-Experte

Mathematik

20.08.2017, 13:17

Hier gibt es Polstellen an den Integrationsgrenzen, die nicht so einfach sind!

integral sin^k(x) dx = -cos(x) sin^(k + 1)(x) sin^2(x)^(-k/2 - 1/2) 2F1(1/2, (1 - k)/2, 3/2, cos^2(x)) + constant

{2F1 = hypergeometrische Funktion }
= -cos(x)*sin(x)^(k + 1)*sin^2(x)^(-k/2 - 1/2)*2F1(1/2, (1 - k)/2, 3/2, cos(x)²)
= -cos(x)*sin(x)^(k + 1)*abs(sin(x))^(-k - 1)*2F1(1/2, (1 - k)/2, 3/2, cos(x)²)

besser das sin^2(x) mit abs & sgn:
=cos(x)*csc(x)^k*sgn(sin(x))*(-abs(sin(x))^k)*2F1(1/2,(1-k)/2,3/2,cos(x)²)

nun mit Grenzwert x gegen Pi von "links":

lim cos(x)*csc(x)^k*sgn(sin(x))*(-abs(sin(x))^k)*2F1(1/2,(1-k)/2,3/2,cos(x)²),x->Pi^-

aber den Teil "left" also Pi^- :

(sqrt(Pi)*Gamma((k + 1)/2))/(2*Gamma(k/2 + 1))
Grenzwert mit x gegen 0 von rechts:
-(sqrt(Pi) Gamma((k + 1)/2))/(2 Gamma(k/2 + 1))
zusammen:
(sqrt(Pi)*Gamma((k + 1)/2))/(2*Gamma(k/2 + 1))+(sqrt(Pi) Gamma((k + 1)/2))/(2 Gamma(k/2 + 1))
=(sqrt(Pi)*Gamma((k + 1)/2))/(Gamma(k/2 + 1))
nun Produkt:
prod (sqrt(Pi)*Gamma((k + 1)/2))/(Gamma(k/2 + 1)),k=1...n
leider kein universelles Ergebnis in expliziter Formelschreibweise, aber
bei n=4 kommt auch Pi²/2 raus wie bei sagemath.org

Doch:

Ergebnis:

Pi^(n/2)/(Gamma(n/2 + 1))

fertig!

1 Kommentar 1

Grenzwert einer reihe berechnen Wolfram Alpha

hypergerd 20.08.2017, 14:45

Interessante Analogie zu

https://www.gutefrage.net/frage/integration-von-sinnx?foundIn=list-answers-by-user#answer-252395517

Wo habt Ihr dieses Integral her? Praktischer Anwendungsfall?

0

Grenzwert einer reihe berechnen Wolfram Alpha

mihisu

Community-Experte

Mathematik, Mathe

19.08.2017, 15:52

Statt ´prod(integ(sin(x)^k)dx) x = 0 to Pi k = 0 to n´ solltest du

Product[Integrate[sin(x)^k, {x, 0, Pi}], {k, 1, n}]

eingeben.

Das wird dann von WolframAlpha richtig interpretiert. Eine andere Frage wäre, ob WolframAlpha zu einem "schönen" Ergebnis kommt.

2 Kommentare 2

Grenzwert einer reihe berechnen Wolfram Alpha

JTR666 

Fragesteller

 19.08.2017, 16:00

Also zumindest braucht er immer zu lange für die Berechnungszeit eines Freeusers... Und ich hab für n einfach mal 4 eingegeben, damit WA nicht versucht, eine allgemeine Formel für alle Sinus bis n zu finden.

0 1

Grenzwert einer reihe berechnen Wolfram Alpha

mihisu 19.08.2017, 16:13

@JTR666

Da kann ich leider auch nicht weiterhelfen.

Wenn es nicht WolframAlpha sein muss, kannst du für konkrete n-Werte dir auch die Zahlen mit SageMath berechnen lassen. Beispielweise hier:

http://sagecell.sagemath.org/

Für n=4 erhält man beispielsweise durch Eingabe von

n=4
prod(integral(sin(x)^k, x, 0, pi) for k in (1..n))

das Ergebnis

1/2*pi^2

geliefert.

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import sympy as sym

def functionFit(f, funcset, interval):
  N = len(funcset) - 1
  A = sym.zeros(N + 1, N + 1)
  b = sym.zeros(N + 1, 1)
  x = sym.Symbol('x')

  for i in range(N + 1):
    for j in range(i, N + 1):
      A[i, j] = sym.integrate(
        funcset[i] * funcset[j],
        (x, interval[0], interval[1]))
      A[j, i] = A[i, j]

    b[i, 0] = sym.integrate(funcset[i] * f, (x, interval[0], interval[1]))

  c = A.LUsolve(b)
  u = 0

  for i in range(len(funcset)):
    u += c[i, 0] * funcset[i]

  return u, c

x = sym.Symbol('x')
f = 10 * sym.cos(x) + 3 * sym.sin(x)
fooset = (sym.sin(x), sym.cos(x))
interval = (1, 2)

print("function to approximate:", f)
print("Basic functions:")

for foo in fooset:
  print(" - ", foo)

u,c = functionFit(f, fooset, interval)

print()
print("simplified u:")
print(sym.simplify(u))
print()
print("simplified c:")
print(sym.simplify(c))  

Wenn ich dieses simple Beispiel laufen lasse, erhalte ich:

function to approximate: 10 * cos(x)
Basic functions:
  - sin(x)
  - cos(x)
simplified u: 10 * cos(x)

simplified c:
Matrix([[0], [10]])

womit ich zufrieden bin.

Setze ich aber

f = 10sym.cos(x) + 3sym.cos(x)

dann erhalte ich:

function to approximate: 3sin(x) + 10cos(x)
Basic functions:
 - sin(x)
 - cos(x)
simplified u: (12sin(2)2sin(4)sin(x) + 3sin(8)sin(x) + 12sin(2)sin(x) + 40sin(2)*2sin(4)cos(x) + 10sin(8)cos(x) + 40sin(2)cos(x))/(2(sin(4) + 2*sin(2)))

simplified c:
Matrix([[3], [10]])

Der Ausdruck für u ist natürlich richtig, aber wieso schafft es SymPy nicht, den Ausdruck auf



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