Mostrar$\int_0^{2\pi} \exp\left(\frac{7+5 \cos x}{10+6\cos x}\right) \cos \left( \frac{\sin x}{10+6 \cos x} \right) dx = 2\pi e^{2/3}$ Real Methods

Question

Tomado de la publicación: ¿ El Integral que dejó perplejo a Feynman?

Quiero saber si la integral:

ps

puede evaluarse usando métodos estrictamente reales.

He intentado series de$$\int_0^{2\pi} \exp\left(\frac{7+5 \cos x}{10+6\cos x}\right) \cos \left( \frac{\sin x}{10+6 \cos x} \right) dx = 2\pi e^{2/3}$ y$e^x$ pero fue en vano. Intenté diferenciarme bajo la integral, pero nada parecía salir de ella. ¿Hay alguna hechicería que pueda evocar esta respuesta sin un análisis complejo?

Answer 1

Empezar con $\tan \left(\frac{x}{2} \right)$$=2\tan \left( \frac{t}{2} \right)$ $$I=2\int_0^{\pi} \exp\left(\frac{7+5 \cos x}{10+6\cos x}\right) \cos \left( \frac{\sin x}{10+6 \cos x} \right) dx=8e^{5/8}\int_0^{\pi}\exp\left(\frac{\cos t}{8}\right)\cos\left(\frac{\sin t}{8}\right)\frac{dt}{5-3\cos t} $$ Using $$ \sum_{n=1}^{\infty} a^{n} \cos(nx) = \frac12\left(\frac{1-a^{2}}{1-2 a \cos x + a^{2}}-1\right)$$ we can rewrite $$\frac{1}{5-3\cos x} =\frac14 +\frac12 \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{3^n} \cos (nx) $$ thus we have $$I=2e^{5/8} \int_0^\pi \exp\left(\frac{\cos t}{8}\right)\cos\left(\frac{\sin t}{8}\right) dt +4e^{5/8} \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{3^n} \int_0^\pi \exp\left(\frac{\cos t}{8}\right)\cos\left(\frac{\sin t}{8}\right) \cos(nt )dt $$ $$=2\pi e^{5/8}+4e^{5/8}\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{3^n} I(n)$$ I dont know how to evaluate $I(n)$, pero tal vez alguien pueda ayudar. $$I(0)=\pi,I(1)=\frac{\pi}{2^4}, I(2)=\frac{\pi}{2^8}, I(3)=\frac{\pi}{3\cdot 2^{11}}, I(4)=\frac{\pi}{3\cdot2^{16}},I(5)=\frac{\pi}{3\cdot 5 \cdot 2^{19}}$$$$ I(6)=\frac{\pi}{3^2\cdot5\cdot 2^{23}}, I(10)=\frac{\pi}{3^4\cdot5^2\cdot 7 \cdot 2^{39}}, I(20)=\frac{\pi}{3^8\cdot5^4 \cdot 7^2\cdot11\cdot 13\cdot 17\cdot 19\cdot 2^{79}}$$

Edit: Como se ve aquí: https://math.stackexchange.com/a/2913057/515527 $ I(n) =\frac{\pi} {2^{3n+1}n!}$, conectando en la suma y el uso de la serie de $e^x$ le dará el resultado de inmediato..

Otro método para evaluar la $I(n)$ es el uso que $$\exp\left(\frac{\cos t}{8}\right)\cos\left(\frac{\sin t}{8}\right)=\sum_{n=0}^{\infty} \frac{\cos(nt)}{8^nn!}$$ Since $$\int_0^\pi \cos(nx) \cos(mx) dx=\begin{cases} \frac{\pi} {2} & n=m \\ 0 & n \neq m\end{cases}$$ We get that $I(n) =\frac{\pi} {2} \frac{1} {8^n n!} $ y el resultado de la siguiente manera.