Mientras jugaba con Mathematica, descubrí que
$$\int_0^1 \frac{\log(1+x)\log(1-x)}{1+x}dx = \frac{1}{3}\log^3(2)-\frac{\pi^2}{12}\log(2)+\frac{\zeta(3)}{8}$$
Por favor ayudarme a demostrar este resultado.
Respuestas
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Anastasiya-Romanova 秀
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La señora Chris sis me preguntó exactamente la misma pregunta hace un par de días en la sala de chat y yo podía responder.
Aquí está mi respuesta. Deje $I$ ser integral. A través de la magia de sustitución de $2t=1+x$ tenemos \begin{align} I&=\int_{\frac{1}{2}}^1 \frac{\log(2t)\log(2-2t)}{t}dt\\ &=\int_{\frac{1}{2}}^1 \frac{\log t\log(1-t)}{t}dt+\ln2\int_{\frac{1}{2}}^1 \frac{\log(1-t)}{t}dt+\ln2\int_{\frac{1}{2}}^1 \frac{\log t}{t}dt+\ln^22\int_{\frac{1}{2}}^1\frac{1}{t}dt\\ &=I_1+I_2+I_3+I_4 \end{align} Todo lo anterior integrales son triviales. Por ejemplo, $I_1$ & $I_2$ puede ser resuelto mediante el uso de primaria manera: utilizando la serie de expansión de $$\frac{\log(1-t)}{t}=\sum_{k=1}^\infty\frac{t^{k-1}}{k}$$ También podemos utilizar la reflexión fórmula para el dilog función $$\text{Li}_2(x)+\text{Li}_2(1-x)=\frac{\pi^2}{6}-\ln x\ln(1-x)$$for solving $I_1$ and the integral representation of dilog function $$\text{Li}_2(x)=\int_0^x \frac{\log(1-t)}{t}dt$$for solving $I_2$. And for $I_3$ & $I_4$, of course an high school student can easily solved it. So $$I=\frac{1}{3}\ln^3(2)-\frac{\pi^2}{12}\ln(2)+\frac{\zeta(3)}{8}$$ Hecho! (>‿◠)✌
Felix Marin
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$\newcommand{\ángulos}[1]{\left\langle\, nº 1 \,\right\rangle} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\, nº 1 \,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\, nº 1 \,\right\rbrack} \newcommand{\ceil}[1]{\,\left\lceil\, nº 1 \,\right\rceil\,} \newcommand{\dd}{{\rm d}} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,{\rm e}^{#1}\,} \newcommand{\fermi}{\,{\rm f}} \newcommand{\piso}[1]{\,\left\lfloor #1 \right\rfloor\,} \newcommand{\mitad}{{1 \over 2}} \newcommand{\ic}{{\rm i}} \newcommand{\iff}{\Longleftrightarrow} \newcommand{\imp}{\Longrightarrow} \newcommand{\pars}[1]{\left (\, nº 1 \,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\pp}{{\cal P}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\vphantom{\large Un}\,#2\,}\,} \newcommand{\sech}{\,{\rm sech}} \newcommand{\sgn}{\,{\rm sgn}} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{{\rm d}^{#1} #2}{{\rm d} #3^{#1}}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\, nº 1 \,\right\vert}$ $\ds{\int_{0}^{1}{\ln\pars{1 + x}\ln\pars{1 - x} \over 1+x}\,\dd x:\ {\large}}$
Con $\ds{0 < \mu < 1}$: \begin{align}&\color{#c00000}{\int_{0}^{\mu}% {\ln\pars{1 + x}\ln\pars{1 - x} \over 1+x}\,\dd x} \\[3mm]&=\half\,\ln^{2}\pars{1 + \mu}\ln\pars{1 - \mu} +\color{#00f}{\half\int_{0}^{\mu}{\ln^{2}\pars{1 + x} \over 1 - x}\,\dd x} \tag{1} \end{align}
\begin{align}&\color{#00f}{\half\int_{0}^{\mu}% {\ln^{2}\pars{1 + x} \over 1 - x}\,\dd x} =\half\int_{1}^{1 + \mu}{\ln^{2}\pars{x} \over 2 - x}\,\dd x =\half\int_{1/2}^{\pars{1 + \mu}/2}{\ln^{2}\pars{2x} \over 1 - x}\,\dd x \\[3mm]&=-\,\half\ln\pars{1 - {1 + \mu \over 2}}\ln^{2}\pars{1 + \mu} +\half\int_{1/2}^{\pars{1 + \mu}/2}\ln\pars{1 - x}\,{2\ln\pars{2x} \over x}\,\dd x \\[3mm]&=-\,\half\ln\pars{1 - \mu \over 2}\ln^{2}\pars{1 + \mu} -\int_{1/2}^{\pars{1 + \mu}/2}{\rm Li}_{2}'\pars{x}\ln\pars{2x}\,\dd x \\[3mm]&=-\,\half\,\ln^{2}\pars{1 + \mu}\ln\pars{1 - \mu} +\half\,\ln\pars{2}\ln^{2}\pars{1 + \mu} -{\rm Li}_{2}\pars{1 + \mu \over 2}\ln\pars{1 + \mu} \\[3mm]&+\int_{1/2}^{\pars{1 + \mu}/2}{\rm Li}_{2}\pars{x}\,{1 \over x}\,\dd x \\[3mm]&=-\,\half\,\ln^{2}\pars{1 + \mu}\ln\pars{1 - \mu} +\half\,\ln\pars{2}\ln^{2}\pars{1 + \mu} - {\rm Li}_{2}\pars{1 + \mu \over 2}\ln\pars{1 + \mu} \\[3mm]&+\int_{1/2}^{\pars{1 + \mu}/2}{\rm Li}_{3}'\pars{x}\,\dd x \end{align}
\begin{align} &\color{#00f}{\half\int_{0}^{\mu}% {\ln^{2}\pars{1 + x} \over 1 - x}\,\dd x} \\[3mm]&=-\,\half\,\ln^{2}\pars{1 + \mu}\ln\pars{1 - \mu} +\half\,\ln\pars{2}\ln^{2}\pars{1 + \mu} -{\rm Li}_{2}\pars{1 + \mu \over 2}\ln\pars{1 + \mu} \\[3mm]&+{\rm Li}_{3}\pars{1 + \mu \over 2} - {\rm Li}_{3}\pars{\half} \end{align}
Sustitución de en $\pars{1}$ y tomando el límite de $\ds{\mu \to 1^{-}}$: \begin{align}&\color{#c00000}{\int_{0}^{1}% {\ln\pars{1 + x}\ln\pars{1 - x} \over 1+x}\,\dd x} = \half\,\ln^{3}\pars{2} - {\rm Li}_{2}\pars{1}\ln\pars{2} +{\rm Li}_{3}\pars{1} - {\rm Li}_{3}\pars{\half} \end{align}
Con los valores: $$ {\rm Li}_{2}\pars{1} = {\pi^{2} \over 6}\,,\quad {\rm Li}_{3}\pars{1} = \zeta\pars{3}\,,\quad {\rm Li}_{3}\pars{\mitad} = {\ln^{3}\pars{2} \over 6} -{\ln\pars{2} \más de 12}\,\pi^{2} + {7 \más de 8}\,\zeta\pars{3} $$ nos encontramos
$$ \color{#66f}{\large\int_{0}^{1}% {\ln\pars{1 + x}\ln\pars{1 - x} \over 1+x}\,\dd x = {\ln^{3}\pars{2} \over 3} - {\ln\pars{2} \más de 12}\,\pi^{2} +{1 \over 8}\,\zeta\pars{3}} \approx {\tt -0.3088} $$
Use su programa favorito para calcular la integral indefinida en términos de polylogarithms $$\int\frac{\ln(1+x)\ln(1-x)\,dx}{1+x}=\frac{\ln2}{2}\ln^2(1+x)-\ln(1+x)\,\mathrm{Li}_2\left(\frac{1+x}{2}\right)+\mathrm{Li}_3\left(\frac{1+x}{2}\right).$ $ [esto puede verificarse por diferenciación directa].
Para calcular la integral definida, es suficiente para saber el $\mathrm{Li}_{2,3}\left(\frac12\right)$ y $\mathrm{Li}_{2,3}(1)$. Sin embargo, la definición del polylogarithm inmediatamente implica $\mathrm{Li}_s(1)=\zeta(s)$. También, el % de valores $\mathrm{Li}_{2,3}\left(\frac12\right)$puede ser encontrado aquí (fórmulas (16), (17)).
