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Una integral definida con cosenos hiperbólicos

Quiero mostrar que la $$ \int_{0}^{\infty} \frac{\cosh (ax) \cosh (bx)}{\cosh (\pi x)} \ dx = \frac{\cos ( \frac{a}{2} ) \cos ( \frac{b}{2})} {\cos (a) + \cos (b)} \ , \ |a|+|b| < \pi.$$

Pensé que se podría integrar la función apropiada alrededor de un rectángulo con vértices en $z=R$, $z=R+i$, $z=-R+i$, y $z=-R$.

He intentado $\displaystyle f(z) = \frac{e^{(a+b)z}}{\cosh (\pi z)}, f(z) = \frac{e^{az} \cosh (bz)}{\cosh (\pi z)}$, e $\displaystyle f(z) = \frac{\cosh (az) \cosh (bz)}{\cosh (\pi z)}$.

Ninguna de esas tres opciones para $f(z)$ trabajaba.

EDITAR:

Como AD. indicado en los comentarios, la integral se puede escribir como

$$ \frac{1}{2} \int_{0}^{\infty} \frac{\cosh \big((a+b)x\big) + \cosh \big((a-b) x \big)}{\cosh (\pi x)} \ dx. $$

Mediante la integración de $ \displaystyle f(z) = \frac{e^{\alpha z}}{\cosh (\pi z)}$ alrededor del rectángulo descrito anteriormente, se puede demostrar que $$\int_{0}^{\infty} \frac{\cosh (\alpha x)}{\cosh (\pi x)} \ dx = \frac{1}{2} \sec \left(\frac{\alpha}{2} \right) \ , \ |\alpha| < \pi. $$

Por lo tanto,

$$ \begin{align} &\int_{0}^{\infty} \frac{\cosh (ax) \cosh (bx)}{\cosh (\pi x)} \ dx \\ &= \frac{1}{4} \left[\sec \left(\frac{a+b}{2} \right) + \sec \left( \frac{a-b}{2}\right) \right] \\ &= \frac{1}{4} \left(\frac{1}{\cos (\frac{a}{2}) \cos (\frac{b}{2}) - \sin (\frac{a}{2}) \sin (\frac{b}{2})} + \frac{1}{\cos (\frac{a}{2}) \cos (\frac{b}{2}) + \sin (\frac{a}{2}) \sin (\frac{b}{2})}\right) \\ &= \frac{1}{2} \frac{\cos (\frac{a}{2}) \cos(\frac{b}{2})}{\cos^{2}(\frac{a}{2})\cos^{2} (\frac{b}{2}) - \sin^{2} (\frac{a}{2}) \sin^{2} (\frac{b}{2})} \\ &= \frac{2 \cos (\frac{a}{2}) \cos(\frac{b}{2})}{\big(1+\cos(a)\big) \big(1+\cos(b) \big) - \big(1-\cos(a)\big) \big(1-\cos(b)\big)} \\ &= \frac{\cos (\frac{a}{2}) \cos (\frac{b}{2})}{\cos(a) + \cos (b)} . \end{align}$$

8voto

Ron Gordon Puntos 96158

Tengo una manera de mostrar esto sin contorno de integración en el plano complejo. Hay un poco de un truco involucrados y, francamente, Mathematica que induzcan a error. Cabe señalar que la condición de $|a|+|b| < \pi$ es necesario para la integral converge. Básicamente, la reescritura de la $\cosh$'s como exponenciales:

$$\begin{align} \int_{0}^{\infty} dx \: \frac{\cosh (ax) \cosh (bx)}{\cosh (\pi x)} &= 2 \int_{0}^{\infty} dx \: \frac{\cosh (ax) \cosh (bx)}{1+e^{-2 \pi x}} e^{-\pi x} \\ &= \frac{1}{2} \sum_{k=0}^{\infty} (-1)^k \int_{0}^{\infty} dx \: (e^{a x}+e^{-a x}) (e^{b x}+e^{-b x}) e^{-(2 k+1) \pi x} \\ \end{align} $$

La evaluación de las integrales, obtenemos

$$= \frac{1}{2} \sum_{k=0}^{\infty} (-1)^k \left [ \frac{1}{(2 k+1)\pi -(a+b)} + \frac{1}{(2 k+1)\pi +(a+b)}\right ] $$ $$ + \frac{1}{2} \sum_{k=0}^{\infty} (-1)^k \left [ \frac{1}{(2 k+1)\pi -(a-b)} + \frac{1}{(2 k+1)\pi +(a-b)} \right ] $$

Aquí me tenga en cuenta que $a+b$ $a-b$ no debe ser un múltiplo de $\pi$, por lo que las cantidades antes mencionadas se comportan correctamente.

Para obtener las sumas en un poco de forma familiar, me reorganizar un poco para conseguir

$$= \frac{1}{4 \pi} \sum_{k=0}^{\infty} (-1)^k \left [ \frac{1}{k +\left (\frac{1}{2} - \frac{a+b}{2 \pi} \right )} + \frac{1}{k +\left (\frac{1}{2} + \frac{a+b}{2 \pi}\right )}\right ] $$ $$ + \frac{1}{4 \pi} \sum_{k=0}^{\infty} (-1)^k \left [ \frac{1}{k +\left (\frac{1}{2} - \frac{a-b}{2 \pi} \right )} + \frac{1}{k +\left (\frac{1}{2} + \frac{a-b}{2 \pi}\right )}\right ] $$

Ahora, aquí está la parte interesante (al menos para mí). Vamos

$$f(z) = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k+z} $$

Este parece que debería ser una función trigonométrica de algún tipo. No es así; más bien, es algo que se llama un Hurwitz-Lerch trascendente, que no se ve como que va a ser de mucha ayuda. Dicho esto, casi se parece a una función trigonométrica, así que en lugar de considerar el siguiente:

$$\begin{align} f(z) + f(1-z) &= \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k+z} + \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k+1-z}\\ &= \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{z+k} + \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^{k+1}}{z-(k+1)}\\ &= \sum_{k=-\infty}^{\infty} \frac{(-1)^k}{z+k} \\ &= \frac{\pi}{\sin{\pi z}}\\ \end{align}$$

Esto es muy útil, porque nos tienen precisamente esta es la forma funcional por encima de, por ejemplo,

$$\frac{1}{2} - \frac{a+b}{2 \pi} = 1 - \left ( \frac{1}{2} + \frac{a+b}{2 \pi} \right ) $$ $$\frac{1}{2} - \frac{a-b}{2 \pi} = 1 - \left ( \frac{1}{2} + \frac{a-b}{2 \pi} \right ) $$

Así obtenemos la integral:

$$\begin{align} \int_{0}^{\infty} dx \: \frac{\cosh (ax) \cosh (bx)}{\cosh (\pi x)} &= \frac{1}{4} \left [ \frac{1}{\sin{\left ( \frac{\pi}{2} - \frac{a+b}{2} \right )}} + \frac{1}{\sin{\left ( \frac{\pi}{2} - \frac{a-b}{2} \right )}} \right ] \\ &= \frac{1}{4} \left [ \frac{1}{\cos{\left ( \frac{a+b}{2} \right )}} + \frac{1}{\cos{\left ( \frac{a-b}{2} \right )}} \right ] \\ &= \frac{\cos{\frac{a}{2}} \cos{\frac{b}{2}}}{\cos{a} + \cos{b}} \end{align}$$

QED

2voto

Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\ángulos}[1]{\left\langle\, nº 1 \,\right\rangle} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\, nº 1 \,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\, nº 1 \,\right\rbrack} \newcommand{\ceil}[1]{\,\left\lceil\, nº 1 \,\right\rceil\,} \newcommand{\dd}{{\rm d}} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\dsc}[1]{\displaystyle{\color{red}{#1}}} \newcommand{\expo}[1]{\,{\rm e}^{#1}\,} \newcommand{\fermi}{\,{\rm f}} \newcommand{\piso}[1]{\,\left\lfloor #1 \right\rfloor\,} \newcommand{\mitad}{{1 \over 2}} \newcommand{\ic}{{\rm i}} \newcommand{\iff}{\Longleftrightarrow} \newcommand{\imp}{\Longrightarrow} \newcommand{\Li}[1]{\,{\rm Li}_{#1}} \newcommand{\norm}[1]{\left\vert\left\vert\, nº 1\,\right\vert\right\vert} \newcommand{\pars}[1]{\left (\, nº 1 \,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\pp}{{\cal P}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\vphantom{\large Un}\,#2\,}\,} \newcommand{\sech}{\,{\rm sech}} \newcommand{\sgn}{\,{\rm sgn}} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{{\rm d}^{#1} #2}{{\rm d} #3^{#1}}} \newcommand{\ul}[1]{\underline{#1}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\, nº 1 \,\right\vert}$

$\ds{\int_{0}^{\infty}{\cosh\pars{ax}\cosh\pars{bx}\over \cosh\pars{\pi x}}\,\dd x ={\cos\pars {/2}\cos\pars{b/2} \\cos\pars{a} + \cos\pars{b}}:\ {\large ?} \,,\quad \verts{a} + \verts{b} < \pi}$

\begin{align}&\color{#66f}{\large% \int_{0}^{\infty}{\cosh\pars{ax}\cosh\pars{bx}\over\cosh\pars{\pi x}}\,\dd x}\ =\ \overbrace{\half\int_{-\infty}^{\infty} {\cosh\pars{ax}\cosh\pars{bx}\over\cosh\pars{\pi x}}\,\dd x} ^{\dsc{\expo{\pi x}\equiv t\ \imp\ x={1 \over \pi}\,\ln\pars{t}}} \\[5mm]&=\half\int_{0}^{\infty}{\bracks{\pars{t^{\alpha} + t^{-\alpha}}/2} \bracks{\pars{t^{\beta} + t^{-\beta}}/2}\over \bracks{\pars{t^{2} + 1}/\pars{2t}}}\,{\dd t \over \pi t} \end{align}

donde $\ds{\alpha \equiv {\verts{a} \over \pi}}$ y $\ds{\beta \equiv {\verts{b} \over \pi}}$

A continuación, \begin{align} &\color{#66f}{\large% \int_{0}^{\infty}\!\!\!{\cosh\pars{ax}\cosh\pars{bx}\over\cosh\pars{\pi x}}\,\dd x} \\[5mm]&={1 \over 4\pi}\int_{0}^{\infty}\!\!\! {t^{\alpha + \beta} \over t^{2} + 1}\,\dd t +{1 \over 4\pi}\int_{0}^{\infty}\!\!\!{t^{\alpha - \beta} \over t^{2} + 1}\,\dd t +{1 \over 4\pi}\int_{0}^{\infty}\!\!{t^{-\alpha + \beta} \over t^{2} + 1}\,\dd t +{1 \over 4\pi}\int_{0}^{\infty}\!\!{t^{-\alpha - \beta} \over t^{2} + 1}\,\dd t \,\,\,\,\,\pars{1} \end{align}

El problema se reduce a la evaluación de $\ds{{1 \over 4\pi}\int_{0}^{\infty}{t^{\mu} \over t^{2} + 1}\,\dd t}$, $\ds{\pars{~\mbox{with}\ \verts{\Re\pars{\mu}} < 1~}}$, en el plano complejo. Para este propósito se utiliza un "key-hole contorno", que se ocupa de la $\ds{z^{\mu}\mbox{-branch cut}}$: $$ z^{\mu}=\verts{z}^{\mu}\exp\pars{\ic\mu\,{\rm Arg}\pars{z}}\,,\qquad z\no= 0\,,\qquad \verts{\,{\rm Arg}\pars{z}} < \pi $$

\begin{align}&{1 \over 4\pi}\,2\pi\ic\pars{% {\expo{\pi\mu\ic/2} \over 2\ic} + {\expo{-\pi\mu\ic/2} \over -2\ic}} =\dsc{\half\,\ic\sin\pars{\pi\mu \over 2}} \\[5mm]&={1 \over 4\pi} \int_{-\infty}^{0}{\pars{-t}^{\mu}\expo{\pi\mu\ic} \over t^{2} + 1}\,\dd t +{1 \over 4\pi} \int_{0}^{-\infty}{\pars{-t}^{\mu}\expo{-\pi\mu\ic} \over t^{2} + 1}\,\dd t \\[5mm]&=\expo{\pi\mu\ic}\,{1 \over 4\pi} \int_{0}^{\infty}{t^{\mu} \over t^{2} + 1}\,\dd t -\expo{-\pi\mu\ic}\,{1 \over 4\pi} \int_{0}^{\infty}{t^{\mu} \over t^{2} + 1}\,\dd t \\[5mm]&=\dsc{2\ic\sin\pars{\pi\mu}\pars{% {1 \over 4\pi}\int_{0}^{\infty}{t^{\mu} \over t^{2} + 1}\,\dd t}}\ \imp\ \begin{array}{|c|}\hline\\ \quad {1 \over 4\pi}\int_{0}^{\infty}{t^{\mu} \over t^{2} + 1}\,\dd t ={1 \over 8}\,\sec\pars{\pi\mu \over 2}\quad \\ \\ \hline \end{array} \end{align}

Entonces, la expresión de $\pars{1}$ se reduce a:

\begin{align} &\color{#66f}{\large% \int_{0}^{\infty}{\cosh\pars{ax}\cosh\pars{bx}\over\cosh\pars{\pi x}}\,\dd x} ={1 \over 4}\,\sec\pars{\verts{a} + \verts{b} \over 2} +{1 \over 4}\,\sec\pars{\verts{a} - \verts{b} \over 2} \\[5mm]&={1 \over 4}\,{\cos\pars{\bracks{\verts{a} - \verts{b}}/2} +\cos\pars{\bracks{\verts{a} + \verts{b}}/2}\over \cos\pars{\bracks{\verts{a} - \verts{b}}/2} \cos\pars{\bracks{\verts{a} + \verts{b}}/2}} \\[5mm]&={1 \over 4}\,{2\cos\pars{a}\cos\pars{b}\over \cos^{2}\pars{a/2}\cos^{2}\pars{b/2} - \sin^{2}\pars{a/2}\sin^{2}\pars{b/2}} \\[5mm]&=\half\,{\cos\pars{a}\cos\pars{b}\over \cos^{2}\pars{a/2}\cos^{2}\pars{b/2}- \bracks{1 - \cos^{2}\pars{a/2}}\bracks{1 - \cos^{2}\pars{b/2}}} \\[5mm]&=\half\,{\cos\pars{a}\cos\pars{b}\over -1 + \cos^{2}\pars{a/2} + \cos^{2}\pars{b/2}} =\half\,{\cos\pars{a}\cos\pars{b}\over -1 + \bracks{1 + \cos\pars{a}}/2 + \bracks{1 + \cos\pars{b}}/2} \end{align}

Finalmente,

$$ \color{#66f}{\large% \int_{0}^{\infty}{\cosh\pars{ax}\cosh\pars{bx}\over\cosh\pars{\pi x}}\,\dd x} =\color{#66f}{\large% {\cos\pars {/2}\cos\pars{b/2} \\cos\pars{a} + \cos\pars{b}}}\,,\qquad \verts{a} + \verts{b} < \pi $$

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