4 votos

¿Cómo podemos demostrar que $\int_{0}^{\pi/2}{\ln^2\sin(x) \ln\cos (x)\over \sin(x)\cos (x)}\mathrm dx=-{\left(\pi^2\over 4!\right)^2}?$

Dado que

$$\int_{0}^{\pi/2}{\ln^2\sin(x) \ln\cos (x)\over \sin(x)\cos (x)}\mathrm dx=-\color{brown}{\left(\pi^2\over 4!\right)^2}\tag1$$

Mi intento:

$u=\sin^2(x)\implies du=2\sin(x)\cos(x) dx$

$(1)$ se convierte en

$${1\over 16}\int_{0}^{1}{\ln^2(u)\ln(1-u)\over u(1-u)}\mathrm du\tag2$$

$v=1-u$

$$-{1\over 16}\int_{0}^{1}{\ln^2(1+v)\ln(v)\over v(1+v)}\mathrm dv\tag3$$

Recall $$\ln(1+x)=\sum_{n=1}^{\infty}{(-1)^{n+1}\over n}x^n$$

$${1\over 16}\sum_{n=1}^{\infty}{(-1)^n\over n}\int_{0}^{1}v^{n-1}\ln(v)\cdot{\mathrm dv\over 1+v}\tag4$$

¿Cómo se puede demostrar $(1)?$

1 votos

Qué es $$\ln^2(\sin(x))=\ln(\sin(x))^2$$ ou $$\ln(\sin^2(x))$$ ?

5 votos

Es bien sabido que $\ln^2(x)=(\ln(x))^2$

0 votos

¿Es posible utilizar el teorema del residuo para esto?

6voto

Marco Cantarini Puntos 10794

Tenga en cuenta que $$I=\int_{0}^{1}\frac{\log^{2}\left(u\right)\log\left(1-u\right)}{u\left(1-u\right)}du=\sum_{k\geq0}\int_{0}^{1}u^{k-1}\log^{2}\left(u\right)\log\left(1-u\right)du$$ $$=-\sum_{k\geq0}\sum_{m\geq1}\frac{1}{m}\int_{0}^{1}u^{m+k-1}\log^{2}\left(u\right)du$$ por lo que integrando por partes obtenemos $$I=-2\sum_{k\geq0}\sum_{m\geq1}\frac{1}{m\left(m+k\right)^{3}}=-2\sum_{m\geq1}\frac{\zeta\left(3\right)-H_{m-1}^{\left(3\right)}}{m}.$$ Ahora podemos observar que $$\sum_{m=1}^{N}\frac{\zeta\left(3\right)}{m}=\zeta\left(3\right)H_{N}$$ y, utilizando suma por partes , $$ -\sum_{m=1}^{N}\frac{H_{m-1}^{\left(3\right)}}{m}=-H_{N-1}^{\left(3\right)}H_{N}+\sum_{m=1}^{N}\frac{H_{m}}{m^{3}}$$ así que $$-2\sum_{m\geq1}\frac{\zeta\left(3\right)-H_{m-1}^{\left(3\right)}}{m}=-2\lim_{N\rightarrow\infty}\left(H_{N}\left(\zeta\left(3\right)-H_{N-1}^{\left(3\right)}\right)+\sum_{m=1}^{N}\frac{H_{m}}{m^{3}}\right)$$ $$=-2\sum_{m\geq1}\frac{H_{m}}{m^{3}}.$$ Así que tenemos que evaluar la última suma. Tenemos $$-2\sum_{m\geq1}\frac{H_{m}}{m^{3}}=-2\sum_{m\geq1}\frac{1}{m^{3}}\sum_{k\geq1}\left(\frac{1}{k}-\frac{1}{k+m}\right)$$ $$=-2\sum_{m\geq1}\sum_{k\geq1}\frac{1}{m^{2}k\left(k+m\right)}=-\sum_{m\geq1}\sum_{k\geq1}\frac{1}{m^{2}k\left(k+m\right)}-\sum_{m\geq1}\sum_{k\geq1}\frac{1}{mk^{2}\left(k+m\right)}$$ $$=-\sum_{m\geq1}\sum_{k\geq1}\frac{1}{m^{2}k^{2}}=-\zeta\left(2\right)^{2}=-\frac{\pi^{4}}{36}$$ por lo que $$I=\color{red}{-\frac{\pi^{4}}{36}}.$$ Otra forma (no muy elegante) es observar que a partir de la definición de la función Beta $$B\left(a,b\right)=\int_{0}^{1}u^{a-1}\left(1-u\right)^{b-1}du$$ tenemos $$\frac{\partial^{2}}{\partial a^{2}}\frac{\partial}{\partial b}B\left(a,b\right)=\int_{0}^{1}u^{a-1}\left(1-u\right)^{b-1}\log^{2}\left(u\right)\log\left(1-u\right)du$$ así que $$I=\lim_{a\rightarrow0^{+}}\lim_{b\rightarrow0^{+}}\frac{\partial^{2}}{\partial a^{2}}\frac{\partial}{\partial b}B\left(a,b\right)=\color{green}{-\frac{\pi^{4}}{36}}.$$

3voto

Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\bbx}[1]{\,\bbox[8px,border:1px groove navy]{\displaystyle{#1}}\,} \newcommand{\braces}[1]{\left\lbrace\,{#1}\,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\,{#1}\,\right\rbrack} \newcommand{\dd}{\mathrm{d}} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,\mathrm{e}^{#1}\,} \newcommand{\ic}{\mathrm{i}} \newcommand{\mc}[1]{\mathcal{#1}} \newcommand{\mrm}[1]{\mathrm{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left(\,{#1}\,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\partial #3^{#1}}} \newcommand{\root}[2][]{\,\sqrt[#1]{\,{#2}\,}\,} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{\mathrm{d}^{#1} #2}{\mathrm{d} #3^{#1}}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\,{#1}\,\right\vert}$

$\ds{\int_{0}^{\pi/2}{\ln^{2}\pars{\sin\pars{x}}\ln\pars{\cos\pars{x}}\over \sin\pars{x}\cos\pars{x}}\dd x = -\pars{\phantom{^{2}}\pi^{2} \over 4!}^{2}:\ {\large ?}}$


\begin{align} &\int_{0}^{\pi/2}{\ln^{2}\pars{\sin\pars{x}}\ln\pars{\cos\pars{x}}\over \sin\pars{x}\cos\pars{x}}\dd x \\[5mm] = &\ {1 \over 16}\int_{0}^{\pi/2}{\ln^{2}\pars{\sin^{2}\pars{x}}\ln\pars{\cos^{2}\pars{x}}\over \sin^{2}\pars{x}\cos^{2}\pars{x}}\bracks{2\sin\pars{x}\cos\pars{x}}\,\dd x \\[5mm] \stackrel{\sin^{2}\pars{x}\ \mapsto\ x}{=}\,\,\,&\ -\,{1 \over 16}\int_{0}^{1}\ln^{2}\pars{x}\ \overbrace{\bracks{-\,{\ln\pars{1 - x} \over x\pars{1 - x}}}} ^{\ds{\sum_{n = 1}^{\infty}H_{n}\,x^{n}}}\ \,\dd x\qquad\pars{~H_{z}:\ Harmonic\ Number~}\label{1}\tag{1} \\[5mm] = &\ -\,{1 \over 16}\sum_{n = 1}^{\infty}H_{n}\ \overbrace{\int_{0}^{1}\ln^{2}\pars{x}x^{n - 1}\,\dd x} ^{\ds{2 \over \phantom{^{3}}n^{3}}}\ =\ -\,{1 \over 8}\sum_{n = 1}^{\infty}{H_{n} \over n^{3}} \end{align}

$\ds{\sum_{n = 1}^{\infty}{H_{n} \over n^{3}} = {\phantom{^{4}}\pi^{4} \over 72}}$ es un identidad conocida . Ver $\ds{\pars{19}}$ en el enlace citado.

\begin{align} &\int_{0}^{\pi/2}{\ln^{2}\pars{\sin\pars{x}}\ln\pars{\cos\pars{x}}\over \sin\pars{x}\cos\pars{x}}\dd x = -\,{1 \over 8}\,{\phantom{^{4}}\pi^{4} \over 72} = -\,{\phantom{^{4}}\pi^{4} \over 576} = \bbx{-\,\pars{\phantom{^{2}}\pi^{2} \over 4!}^{2}} \end{align}

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