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La evaluación de $\int_0^{\large\frac{\pi}{4}} \log\left( \cos x\right) \, \mathrm{d}x $

Es mi primer post aquí y me preguntaba si alguien me podría ayudar con la evaluación de la de la integral definida $$ \int_0^{\Large\frac{\pi}{4}} \log\left( \cos x\right) \, \mathrm{d}x $$ Gracias de antemano, cualquier ayuda se agradece.

24voto

Tunk-Fey Puntos 19825

Vamos $$ I=\int_0^{\Large\frac\pi4}\ln(\sin x)\, dx\qquad\text{y}\qquad J=\int_0^{\Large\frac\pi4}\ln(\cos x)\ dx $$ entonces \begin{align} I+J&=\int_0^{\Large\frac\pi4}\ln(\sin x\cos x)\ dx\\ &=\int_0^{\Large\frac\pi4}\ln\left(\frac12\sin 2x\right)\ dx\\ &=\int_0^{\Large\frac\pi4}\ln(\sin 2x)\ dx-\int_0^{\Large\frac\pi4}\ln2\ dx\\ &=\frac12\int_0^{\Large\frac\pi2}\ln(\sin y)\ dy-\frac\pi4\ln2\qquad\color{red}{\Rightarrow}\qquad \text{set}\ y=2x\\ &=-\frac\pi2\ln2 \end{align} y \begin{align} I-J&=\int_0^{\Large\frac\pi4}\ln\left(\frac{\sin x}{\cos x}\right)\ dx\\ &=\int_0^{\Large\frac\pi4}\ln\left(\tan x\right)\ dx\\ &=\int_0^{1}\frac{\ln t}{1+t^2}\ dt\qquad\color{red}{\Rightarrow}\qquad \text{set}\ t=\tan x\\ &=\int_0^{1}\sum_{n=1}^\infty(-1)^n t^{2n}\ln t\ dt\\ &=\sum_{n=1}^\infty(-1)^n\int_0^{1} t^{2n}\ln t\ dt\\ &=-\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^n}{(2n+1)^2}\\ &=-G, \end{align} donde $G$ es del catalán constante. Por lo tanto $$ I=\int_0^{\Large\frac\pi4}\ln(\sin x)\ dx=-\frac12\left(G+\frac\pi2\ln2\right) $$ y $$ J=\int_0^{\Large\frac\pi4}\ln(\cos x)\ dx=\frac12\left(G-\frac\pi2\ln2\right). $$


Referencias :

$[1]\ \ \displaystyle\int_0^{\Large\frac\pi2}\ln(\sin y)\ dy=\int_0^{\Large\frac\pi2}\ln(\cos y)\ dy=-\frac\pi2\ln2$

$[2]\ \ \displaystyle\int_0^1 x^\alpha \ln^k x\ dx=\frac{(-1)^k k!}{(\alpha+1)^{k+1}}, \qquad\text{for }\ k=0,1,2,\ldots$

23voto

Macarse Puntos 128

Escribir $$\log(\cos(x))=\log\left(\frac12 e^{ix}(1+e^{-2ix})\right)\\ =-\log 2 + ix +\sum_{k=1}^\infty\frac{(-1)^{k+1}}{k}e^{-2ikx}.$$ Luego de integrar término a término para obtener $$\int_0^{\pi/4}\log(\cos(x))dx=-\frac{\pi}{4}\log 2 +i\frac{\pi^2}{32}+\frac{i}{2}\sum_{k=1}^\infty\frac{(-1)^{k+1}}{k^2}\left[e^{-ik\pi/2}-1\right].$$ El extraño términos de la serie con $e^{-ik\pi/2}$ dar lugar a la catalana constante, y los términos se combinan con los de otras series infinitas para cancelar la $i\pi^2/32$ plazo.

7voto

Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\ángulos}[1]{\left\langle\, nº 1 \,\right\rangle} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\, nº 1 \,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\, nº 1 \,\right\rbrack} \newcommand{\ceil}[1]{\,\left\lceil\, nº 1 \,\right\rceil\,} \newcommand{\dd}{{\rm d}} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\dsc}[1]{\displaystyle{\color{red}{#1}}} \newcommand{\expo}[1]{\,{\rm e}^{#1}\,} \newcommand{\fermi}{\,{\rm f}} \newcommand{\piso}[1]{\,\left\lfloor #1 \right\rfloor\,} \newcommand{\mitad}{{1 \over 2}} \newcommand{\ic}{{\rm i}} \newcommand{\iff}{\Longleftrightarrow} \newcommand{\imp}{\Longrightarrow} \newcommand{\Li}[1]{\,{\rm Li}_{#1}} \newcommand{\norm}[1]{\left\vert\left\vert\, nº 1\,\right\vert\right\vert} \newcommand{\pars}[1]{\left (\, nº 1 \,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\pp}{{\cal P}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\vphantom{\large Un}\,#2\,}\,} \newcommand{\sech}{\,{\rm sech}} \newcommand{\sgn}{\,{\rm sgn}} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{{\rm d}^{#1} #2}{{\rm d} #3^{#1}}} \newcommand{\ul}[1]{\underline{#1}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\, nº 1 \,\right\vert}$\begin{align}&\color{#66f}{\large\int_{0}^{\pi/4}\ln\pars{\cos\pars{x}}\,\dd x} =\int_{\pi/4}^{\pi/2}\ln\pars{\sin\pars{x}}\,\dd x \\[5mm]&=\int_{\pi/4}^{\pi/2}\overbrace{\bracks{% -\ln\pars{2} - \sum_{k\ =\ 1}^{\infty}{\cos\pars{2kx} \over k}}}^{\dsc{\ln\pars{\sin\pars{x}}}}\,\dd x =-\,{1 \over 4}\,\pi\ln\pars{2} -\sum_{k\ =\ 1}^{\infty}{1 \over k}\int_{\pi/4}^{\pi/2}\cos\pars{2kx}\,\dd x \\[5mm]&=-\,{1 \over 4}\,\pi\ln\pars{2} -\sum_{k\ =\ 1}^{\infty}{1 \over k}{\sin\pars{k\pi} - \sin\pars{k\pi/2} \over 2k} =-\,{1 \over 4}\,\pi\ln\pars{2} +\half\sum_{k\ =\ 1}^{\infty}{\sin\pars{k\pi/2} \over k^{2}} \\[5mm]&=-\,{1 \over 4}\,\pi\ln\pars{2} +\half\sum_{k\ =\ 0}^{\infty}{\sin\pars{k\pi + \pi/2} \over \pars{2k + 1}^{2}} =-\,{1 \over 4}\,\pi\ln\pars{2} +\half\ \underbrace{\sum_{k\ =\ 0}^{\infty}{\pars{-1}^{k} \over \pars{2k + 1}^{2}}} _{\ds{\mbox{Catalan Constant}\ \dsc{G}}} \\[5mm]&=\color{#66f}{\large-\,{1 \over 4}\,\pi\ln\pars{2} + \half\,G} \end{align}

0voto

Riccardo.Alestra Puntos 4635

La integral: $$S=\int_0^\frac{\pi}{4}\log(\cos(x))dx=\frac{1}{4}(2C-\pi \log 2)$$ donde $C$ es el catalán constante.

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