Estoy tratando de evaluar esta integral definida: $$\int_0^1\frac{\log(x) \log(1+x)}{\sqrt{1-x}} dx$$ Es claro que el resultado puede ser expresado en términos de la derivada de una función hipergeométrica con respecto a sus parámetros. He obtenido la siguiente forma: $$4 \left(1 - \log 2\right){_2F_1}^{(0,1,0,0)}\left(1, 0; \tfrac{3}{2}; -1\right) - 2 {_2F_1}^{(1,1,0,0)}\left(1, 0; \tfrac{3}{2}; -1\right) - 2{_2F_1}^{(0,1,1,0)}\left(1, 0; \tfrac{3}{2}; -1\right)$$ Es posible ampliar estos derivados a alguna forma explícita y simplificar aún más este resultado? O tal vez usted podría sugerir una forma diferente de evaluar esta integral que da un simple resultado sin pasar a través de funciones hipergeométricas?
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Shiv
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La integral puede ser fácilmente descomponer en una suma de integrales de productos de log-lineal de términos:
$$\begin{align} \mathcal{I} &=\int_{0}^{1}\frac{\ln{\left(x\right)}\ln{\left(1+x\right)}}{\sqrt{1-x}}\,\mathrm{d}x\\ &=2\int_{0}^{1}\ln{\left(1-y^2\right)}\ln{\left(2-y^2\right)}\,\mathrm{d}y;~~~\small{\left[\sqrt{1-x}=y\right]}\\ &=2\int_{0}^{1}\ln{\left(1-y\right)}\ln{\left(\sqrt{2}-y\right)}\,\mathrm{d}y\\ &~~~~~+2\int_{0}^{1}\ln{\left(1-y\right)}\ln{\left(\sqrt{2}+y\right)}\,\mathrm{d}y\\ &~~~~~+2\int_{0}^{1}\ln{\left(1+y\right)}\ln{\left(\sqrt{2}-y\right)}\,\mathrm{d}y\\ &~~~~~+2\int_{0}^{1}\ln{\left(1+y\right)}\ln{\left(\sqrt{2}+y\right)}\,\mathrm{d}y.\\ \end{align}$$
Cada uno de estos cuatro integrales puede ser resuelto en términos de dilogarithms de una manera sistemática, por ejemplo mediante el uso de la general formas cerradas para las dos integrales me derivan a continuación. Ya que el resultado final ha sido ya proporcionada en otra respuesta, les dejo el taponamiento y el traqueteo de paso, como un ejercicio para el intrépido lector.
Supongamos $0<a\land0<a+b$. Luego nos encontramos con:
$$\begin{align} J{(a,b)} &=\int_{0}^{1}\ln{\left(1-y\right)}\ln{\left(a+by\right)}\,\mathrm{d}y\\ &=\int_{0}^{1}\ln{\left(w\right)}\ln{\left(a+b-bw\right)}\,\mathrm{d}w;~~~\small{\left[1-y=w\right]}\\ &=\small{-\int_{0}^{1}\frac{1}{w}\left[\frac{\left(a+b\right)\ln{\left(a+b\right)}}{b}-\frac{bw+\left(a+b-bw\right)\ln{\left(a+b-bw\right)}}{b}\right]\,\mathrm{d}w}\\ &=\int_{0}^{1}\frac{bw-bw\ln{\left(a+b\right)}+\left(a+b-bw\right)\ln{\left(1-\frac{b}{a+b}w\right)}}{bw}\,\mathrm{d}w\\ &=1-\ln{\left(a+b\right)}+\int_{0}^{1}\frac{\left(a+b-bw\right)\ln{\left(1-\frac{b}{a+b}w\right)}}{bw}\,\mathrm{d}w\\ &=1-\ln{\left(a+b\right)}+\int_{0}^{1}\frac{\left(1-cw\right)\ln{\left(1-cw\right)}}{cw}\,\mathrm{d}w;~~~\small{\left[c:=\frac{b}{a+b}\right]}\\ &=\small{1-\ln{\left(a+b\right)}-\int_{0}^{1}\ln{\left(1-cw\right)}\,\mathrm{d}w+\frac{1}{c}\int_{0}^{1}\frac{\ln{\left(1-cw\right)}}{w}\,\mathrm{d}w}\\ &=1-\ln{\left(a+b\right)}+1+\frac{1-c}{c}\ln{\left(1-c\right)}-\frac{1}{c}\,\operatorname{Li}_{2}{\left(c\right)}\\ &=2-\ln{\left(a+b\right)}+\frac{1-c}{c}\ln{\left(1-c\right)}-\frac{1}{c}\,\operatorname{Li}_{2}{\left(c\right)}\\ &=2+\frac{a\ln{\left(a\right)}-\left(a+b\right)\ln{\left(a+b\right)}-\left(a+b\right)\operatorname{Li}_{2}{\left(\frac{b}{a+b}\right)}}{b}\\ \end{align}$$
Supongamos $0<a\land0<a+b\land0<a-b$. Luego nos encontramos con:
$$\begin{align} K{(a,b)} &=\int_{0}^{1}\ln{\left(1+y\right)}\ln{\left(a+by\right)}\,\mathrm{d}y\\ &=\small{\ln{(2)}\ln{\left(a+b\right)}-\int_{0}^{1}y\left[\frac{b\ln{\left(1+y\right)}}{a+by}+\frac{\ln{\left(a+by\right)}}{1+y}\right]\,\mathrm{d}y}\\ &=\ln{(2)}\ln{\left(a+b\right)}\\ &~~~~~\small{-\int_{0}^{1}\left[\ln{\left(1+y\right)}-\frac{a\ln{\left(1+y\right)}}{a+by}+\ln{\left(a+by\right)}-\frac{\ln{\left(a+by\right)}}{1+y}\right]\,\mathrm{d}y}\\ &=\small{\ln{(2)}\ln{\left(a+b\right)}-\left(2\ln{(2)}-1\right)+\frac{b+a\ln{\left(a\right)}-\left(a+b\right)\ln{\left(a+b\right)}}{b}}\\ &~~~~~\small{+\int_{0}^{1}\frac{a\ln{\left(1+y\right)}}{a+by}\,\mathrm{d}y+\int_{0}^{1}\frac{\ln{\left(a+by\right)}}{1+y}\,\mathrm{d}y}\\ &=\small{2-2\ln{(2)}+\ln{(2)}\ln{\left(a+b\right)}+\frac{a\ln{\left(a\right)}-\left(a+b\right)\ln{\left(a+b\right)}}{b}}\\ &~~~~~\small{+\int_{0}^{1}\frac{a\ln{\left(1+y\right)}}{a+by}\,\mathrm{d}y+\ln{(2)}\ln{\left(a+b\right)}-\int_{0}^{1}\frac{b\ln{\left(1+y\right)}}{a+by}\,\mathrm{d}y}\\ &=\small{2-2\ln{(2)}+2\ln{(2)}\ln{\left(a+b\right)}+\frac{a\ln{\left(a\right)}-\left(a+b\right)\ln{\left(a+b\right)}}{b}}\\ &~~~~~\small{+\left(a-b\right)\int_{0}^{1}\frac{\ln{\left(1+y\right)}}{a+by}\,\mathrm{d}y}\\ &=\small{2-2\ln{(2)}+2\ln{(2)}\ln{\left(a+b\right)}+\frac{a\ln{\left(a\right)}-\left(a+b\right)\ln{\left(a+b\right)}}{b}}\\ &~~~~~\small{+\left(a-b\right)\int_{1}^{2}\frac{\ln{\left(w\right)}}{a-b+bw}\,\mathrm{d}w};~~~\small{\left[1+y=w\right]}\\ &=\small{2-2\ln{(2)}+2\ln{(2)}\ln{\left(a+b\right)}+\frac{a\ln{\left(a\right)}-\left(a+b\right)\ln{\left(a+b\right)}}{b}}\\ &~~~~~\small{+\int_{0}^{2}\frac{\ln{\left(w\right)}}{1+\frac{b}{a-b}w}\,\mathrm{d}w-\int_{0}^{1}\frac{\ln{\left(w\right)}}{1+\frac{b}{a-b}w}\,\mathrm{d}w}\\ &=\small{2-2\ln{(2)}+2\ln{(2)}\ln{\left(a+b\right)}+\frac{a\ln{\left(a\right)}-\left(a+b\right)\ln{\left(a+b\right)}}{b}}\\ &~~~~~\small{+2\int_{0}^{1}\frac{\ln{\left(2u\right)}}{1+\frac{2b}{a-b}u}\,\mathrm{d}u-\frac{a-b}{b}\operatorname{Li}_{2}{\left(-\frac{b}{a-b}\right)}};~~~\small{\left[w=2u\right]}\\ &=\small{2-2\ln{(2)}+2\ln{(2)}\ln{\left(a+b\right)}+\frac{a\ln{\left(a\right)}-\left(a+b\right)\ln{\left(a+b\right)}}{b}}\\ &~~~~~+2\ln{(2)}\int_{0}^{1}\frac{\mathrm{d}u}{1+\frac{2b}{a-b}u}+2\int_{0}^{1}\frac{\ln{\left(u\right)}}{1+\frac{2b}{a-b}u}\,\mathrm{d}u\\ &~~~~~-\frac{a-b}{b}\operatorname{Li}_{2}{\left(-\frac{b}{a-b}\right)}\\ &=2-2\ln{(2)}+2\ln{(2)}\ln{\left(a+b\right)}\\ &~~~~~+\frac{a\ln{\left(a\right)}-\left(a+b\right)\ln{\left(a+b\right)}+\left(a-b\right)\ln{(2)}\ln{\left(\frac{a+b}{a-b}\right)}}{b}\\ &~~~~~+\frac{a-b}{b}\left[\operatorname{Li}_{2}{\left(-\frac{2b}{a-b}\right)}-\operatorname{Li}_{2}{\left(-\frac{b}{a-b}\right)}\right].\\ \end{align}$$
