We want to prove the following improper integral
Theorem.
lim a → ∞ ∫ 0 a sin x x d x = π 2 .
\lim_{a \rightarrow \infty} \int_0^a \frac{\sin x}{x} \, dx = \frac{\pi}{2}.
a → ∞ lim ∫ 0 a x sin x d x = 2 π .
Existence of Limit
Since ∫ n π ( n + 1 ) π sin x d x = ( − 1 ) n ⋅ 2 \int_{n \pi}^{(n + 1) \pi} \sin x \, dx = (-1)^{n} \cdot 2 ∫ nπ ( n + 1 ) π sin x d x = ( − 1 ) n ⋅ 2 ,
∫ n π ( n + 1 ) π sin x x d x ∈ Θ ( ( − 1 ) n n ) .
\int_{n \pi}^{(n + 1) \pi} \frac{\sin x}{x} \, dx
\in \Theta \left( \frac{ (-1)^{n} }{n} \right).
∫ nπ ( n + 1 ) π x sin x d x ∈ Θ ( n ( − 1 ) n ) . Hence lim a → ∞ ∫ 0 a sin x x d x \lim_{a \rightarrow \infty} \int_0^a \frac{\sin x}{x} \, dx lim a → ∞ ∫ 0 a x s i n x d x exists.
On the other hand, sin x x \frac{\sin x}{x} x s i n x is not Lebesgue integrable over [ 0 , ∞ ) [0, \infty) [ 0 , ∞ ) .
Proving the Limit
Observation.
∫ 0 ∞ e − x y sin x d y = sin x x .
\int_0^\infty e^{-xy} \sin x \, dy = \frac{\sin x}{x}.
∫ 0 ∞ e − x y sin x d y = x sin x .
We need two technical lemmas to finish the proof.
Lemma 1. e − x y sin x e^{-xy} \sin x e − x y sin x is integrable on [ 0 , a ] × [ 0 , ∞ ) [0, a] \times [0, \infty) [ 0 , a ] × [ 0 , ∞ ) .
Lemma 2.
∫ 0 a e − x y sin x d x = − e − x y cos x ∣ 0 a − y e − x y sin x ∣ 0 a 1 + y 2 = 1 − e − a y cos a − y e − a y sin a 1 + y 2 .
\begin{aligned}
\int_0^a e^{-xy} \sin x \, dx
&= \frac{
- e^{-xy} \cos x \mid_0^a - y e^{-xy} \sin x \mid_0^a
}{1 + y^2} \\
&= \frac{
1 - e^{- ay} \cos a - y e^{-ay} \sin a
}{1 + y^2}.
\end{aligned}
∫ 0 a e − x y sin x d x = 1 + y 2 − e − x y cos x ∣ 0 a − y e − x y sin x ∣ 0 a = 1 + y 2 1 − e − a y cos a − y e − a y sin a .
We defer the proof of the lemmas to the end of the article.
Denote F \mathcal{F} F the collection of Lebesgue measurable sets on R \mathbb{R} R , and λ \lambda λ the Lebesgue measure defined on F \mathcal{F} F .
Let μ ≐ λ × λ \mu \doteq \lambda \times \lambda μ ≐ λ × λ be the product measure on ( R × R , F ⊗ F ) (\mathbb{R} \times \mathbb{R}, \mathcal{F} \otimes \mathcal{F}) ( R × R , F ⊗ F ) .
Now, via Fubini's theorem,
∫ 0 a sin x x d x = ∫ 0 a ∫ 0 ∞ e − x y sin x d y d x = ∫ [ 0 , a ] × [ 0 , ∞ ) e − x y sin x d μ = ∫ 0 ∞ ∫ 0 a e − x y sin x d x d y = ∫ 0 ∞ 1 − e − a y cos a − y e − a y sin a 1 + y 2 d y = arctan y ∣ 0 ∞ − ∫ 0 ∞ e − a y cos a + y e − a y sin a 1 + y 2 d y = π 2 − ∫ 0 ∞ e − a y cos a + y e − a y sin a 1 + y 2 d y .
\begin{aligned}
\int_0^a \frac{\sin x}{x} dx
&= \int_0^a \int_0^\infty e^{-xy} \sin x \, d y dx \\
&=\int_{[0, a] \times [0, \infty)} e^{-xy} \sin x \, d \mu \\
&= \int_0^\infty \int_0^a e^{-xy} \sin x \, dx d y \\
&=\int_0^\infty \frac{
1 - e^{- ay} \cos a - y e^{-ay} \sin a
}{1 + y^2} \, d y \\
&= \arctan y \mid_0^\infty - \int_0^\infty \frac{
e^{- ay} \cos a + y e^{-ay} \sin a
}{1 + y^2} \, d y \\
&= \frac{\pi}{2} - \int_0^\infty \frac{
e^{- ay} \cos a + y e^{-ay} \sin a
}{1 + y^2} \, d y.
\end{aligned}
∫ 0 a x sin x d x = ∫ 0 a ∫ 0 ∞ e − x y sin x d y d x = ∫ [ 0 , a ] × [ 0 , ∞ ) e − x y sin x d μ = ∫ 0 ∞ ∫ 0 a e − x y sin x d x d y = ∫ 0 ∞ 1 + y 2 1 − e − a y cos a − y e − a y sin a d y = arctan y ∣ 0 ∞ − ∫ 0 ∞ 1 + y 2 e − a y cos a + y e − a y sin a d y = 2 π − ∫ 0 ∞ 1 + y 2 e − a y cos a + y e − a y sin a d y . The right hand side converges to 0 0 0 as a a a approaches infinity:
lim a → ∞ ∫ 0 ∞ ∣ e − a y cos a + y e − a y sin a 1 + y 2 ∣ d y ≤ lim a → ∞ ∫ 0 ∞ ( 1 + y ) e − a y d y = lim a → ∞ − 1 a ( ( 1 + y ) e − a y + 1 a e − a y ) ∣ 0 ∞ = 0.
\begin{aligned}
\lim_{a \rightarrow \infty} \int_0^\infty \left| \frac{
e^{- ay} \cos a + y e^{-ay} \sin a
}{1 + y^2} \right| \, d y
&\le \lim_{a \rightarrow \infty} \int_0^\infty (1 + y) e^{-ay} \, d y \\
&= \lim_{a \rightarrow \infty} -\frac{1}{a} \left( (1 + y) e^{-ay} + \frac{1}{a} e^{-ay} \right) \Bigg|_0^\infty = 0.
\end{aligned}
a → ∞ lim ∫ 0 ∞ 1 + y 2 e − a y cos a + y e − a y sin a d y ≤ a → ∞ lim ∫ 0 ∞ ( 1 + y ) e − a y d y = a → ∞ lim − a 1 ( ( 1 + y ) e − a y + a 1 e − a y ) 0 ∞ = 0. Proof of Lemma 1.
Via Tonelli's theorem,
∫ [ 0 , a ] × [ 0 , ∞ ) ∣ e − x y sin x ∣ d μ = ∫ 0 a ∫ 0 ∞ ∣ e − x y sin x ∣ d y d x ≤ ∫ 0 a ∫ 0 ∞ e − x y d y d x = ∫ 0 a 1 x d y d x = ln a ≤ ∞ .
\begin{aligned}
\int_{[0, a] \times [0, \infty)} | e^{-xy} \sin x | \, d \mu
&= \int_0^a \int_0^\infty | e^{-xy} \sin x | \, d y dx \\
&\le \int_0^a \int_0^\infty e^{-xy} \, d y dx \\
&= \int_0^a \frac{1}{x} \, d y dx \\
&= \ln a \\
&\le \infty.
\end{aligned}
∫ [ 0 , a ] × [ 0 , ∞ ) ∣ e − x y sin x ∣ d μ = ∫ 0 a ∫ 0 ∞ ∣ e − x y sin x ∣ d y d x ≤ ∫ 0 a ∫ 0 ∞ e − x y d y d x = ∫ 0 a x 1 d y d x = ln a ≤ ∞. □ \square □
Proof of Lemma 2.
∫ 0 a e − x y sin x d x = − e − x y cos x ∣ 0 a − y ∫ 0 a e − x y cos x d x = − e − x y cos x ∣ 0 a − y ( e − x y sin x ∣ 0 a + y ∫ 0 a e − x y sin x d x ) .
\begin{aligned}
\int_0^a e^{-xy} \sin x \, dx
&= - e^{-xy} \cos x \mid_0^a - y \int_0^a e^{-xy} \cos x \, dx \\
&= - e^{-xy} \cos x \mid_0^a - y \left( e^{-xy} \sin x \mid_0^a + y \int_0^a e^{-xy} \sin x \, dx \right).
\end{aligned}
∫ 0 a e − x y sin x d x = − e − x y cos x ∣ 0 a − y ∫ 0 a e − x y cos x d x = − e − x y cos x ∣ 0 a − y ( e − x y sin x ∣ 0 a + y ∫ 0 a e − x y sin x d x ) . Another proof of Lemma 2 .
∫ 0 a e − x y e i x d x = ∫ 0 a e − x ( y − i ) d x = − 1 y − i ⋅ e − x ( y − i ) ∣ 0 a = 1 y − i ⋅ ( 1 − e − a ( y − i ) ) = y + i 1 + y 2 ⋅ ( 1 − e − a y ( cos a + i sin a ) ) .
\begin{aligned}
\int_0^a e^{-xy} e^{ix} \, dx
&= \int_0^a e^{-x (y - i)} \, dx \\
&= \frac{-1}{y - i} \cdot e^{-x (y - i)} \mid_0^a \\
&= \frac{1}{y - i} \cdot \left( 1 - e^{- a(y - i)} \right) \\
&= \frac{y + i}{1 + y^2} \cdot \left( 1 - e^{-ay} (\cos a + i \sin a ) \right).
\end{aligned}
∫ 0 a e − x y e i x d x = ∫ 0 a e − x ( y − i ) d x = y − i − 1 ⋅ e − x ( y − i ) ∣ 0 a = y − i 1 ⋅ ( 1 − e − a ( y − i ) ) = 1 + y 2 y + i ⋅ ( 1 − e − a y ( cos a + i sin a ) ) . Hence,
∫ 0 a e − x y sin x d x = ℑ ( ∫ 0 a e − x y e i x d x ) = 1 − e − a y cos a − y e − a y sin a 1 + y 2 .
\int_0^a e^{-xy} \sin x \, dx
= \Im \left( \int_0^a e^{-xy} e^{ix} \, dx \right)
= \frac{
1 - e^{- ay} \cos a - y e^{-ay} \sin a
}{1 + y^2}.
∫ 0 a e − x y sin x d x = ℑ ( ∫ 0 a e − x y e i x d x ) = 1 + y 2 1 − e − a y cos a − y e − a y sin a . □ \square □
Reference
[1] P. Billingsley, Probability and measure Anniversary Edition, 3rd ed. New York: Wiley, 1995.
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