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Evaluar $\int\frac{1+x+\sqrt{1+x^2}}{\sqrt{x+1}+\sqrt{x}}\,dx$

Pregunta:

Resolver la integral $$ \int\frac{1+x+\sqrt{1+x^2}}{\sqrt{x+1}+\sqrt{x}}\,dx $$

Mi solución:

Multiplica el numerador y el denominador por $\sqrt{x+1}-\sqrt{x}$ . Esto cambia la integral a

$$ \begin{align} \int&\left(1+x+\sqrt{1+x^2}\right)\left(\sqrt{x+1}-\sqrt{x}\right)\,dx\\ &= \int{(1+x)^{3/2}}\,dx-\int{\sqrt{(1+x)(1+x^2)}}\,dx-\int{\sqrt{x}(1+x)}\,dx-\int{\sqrt{x}\sqrt{1+x^2}}\,dx\\ & = \frac{2}{5}(1+x)^{5/2}-I-\frac{2}{3}x^{3/2}-\frac{2}{5}x^{5/2}-J \end{align} $$

donde $I = \int{(1+x)^{1/2}(1+x^2)^{1/2}}\,dx$ y $J = \int{x^{1/2}(1+x^2)^{1/2}}\,dx$ .

¿Cómo puedo resolver las integrales $I$ y $J$ ?

0 votos

Las integradas en $I$ y $J$ son de la forma, raíz cuadrada de un cúbico. En general, estas antiderivadas no pueden expresarse en términos de las funciones habituales del cálculo de introducción, sino que requieren lo que se denomina "funciones elípticas".

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Gracias Gerry Myerson ... te gustaría darme un enlace o documento sobre la función elíptica y cómo puedo resolver este tipo de integral utilizando la función elíptica

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Creo que si buscas en la web "integral elíptica" o "función elíptica" encontrarás mucho material disponible. No se "resuelve" la integral utilizando funciones elípticas, sino que se definen las funciones elípticas como soluciones de este tipo de integral. Una vez que hayas mirado la literatura sobre el tema, si tienes alguna pregunta sobre lo que has encontrado, te animo a que publiques nuevas preguntas en m.se.

10voto

Robert Christie Puntos 7323

Uno puede ser llevado a la forma $\int u^a (1-u)^b \mathrm{d}u$ que se discute en este respuesta mía: $$\begin{eqnarray} J &=& \int \sqrt{x} \sqrt{1+x^2} \mathrm{d}x \stackrel{u=x^2}{=} \frac{1}{2} \int u^{-1/4} (1+u)^{1/2} \mathrm{d} u \\ &=& \frac{2}{3} u^{3/4} \cdot {}_2F_1\left(-\frac{1}{2}, \frac{3}{4}; \frac{7}{4}; -u\right) +\text{const.} = \frac{2}{3} x^{3/2} \cdot {}_2F_1\left(-\frac{1}{2}, \frac{3}{4}; \frac{7}{4}; -x^2\right) +\text{const.} \end{eqnarray} $$ La otra integral es una integral elíptica : $$\begin{eqnarray} I &=& \frac{4}{15} \sqrt{2\alpha} \left(\alpha \operatorname{F}\left( \arcsin \left( \frac{x-\frac{1}{\alpha}}{x+\alpha}\right) ,-\alpha^2\right) -\frac{1}{\alpha} \operatorname{E}\left(\arcsin \left( \frac{x-\frac{1}{\alpha}}{x+\alpha}\right) ,-\alpha^2\right)\right) \\ && + \frac{2}{15} \sqrt{1+x}\sqrt{1+x^2} \left(3x+1 + \frac{4}{x+\alpha}\right) + \text{const.} \end{eqnarray} $$ donde $\alpha = \sqrt{2}+1$ y $$ \operatorname{E}\left(\phi, m\right) = \int_0^\phi \sqrt{1-m \sin^2\varphi}\, \mathrm{d}\varphi, \quad \operatorname{F}\left(\phi, m\right) = \int_0^\phi \frac{\mathrm{d}\varphi}{\sqrt{1-m \sin^2\varphi}} $$ Puede evaluarse mediante la función Funciones elípticas de Jacobi sustitución: $$ \operatorname{sn}\left(t, -\alpha^2\right) = \frac{x-\frac{1}{\alpha}}{x+\alpha} $$ como se describe en Byrd y Friedman .

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Gracias Gerry Myerson y también gracias a Sasha.

1 votos

@juantheron : ¿podría marcar esto como la respuesta?

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@Sasha: Pero por qué $I$ ¿puede expresarse en términos de integral elíptica incompleta de primer tipo y de integral elíptica incompleta de segundo tipo, tal y como usted afirma?

4voto

fcop Puntos 2891

Para cualquier número real de $x$ ,

Cuando $|x|\leq1$ ,

$J=\int x^\frac{1}{2}(1+x^2)^\frac{1}{2}$

$=\int x^\frac{1}{2}\sum\limits_{n=0}^\infty\dfrac{(-1)^n(2n)!x^{2n}}{4^n(n!)^2(1-2n)}dx$

$=\int\sum\limits_{n=0}^\infty\dfrac{(-1)^n(2n)!x^{2n+\frac{1}{2}}}{4^n(n!)^2(1-2n)}dx$

$=\sum\limits_{n=0}^\infty\dfrac{(-1)^n(2n)!x^{2n+\frac{3}{2}}}{4^n(n!)^2(1-2n)\left(2n+\dfrac{3}{2}\right)}+C$

$=\sum\limits_{n=0}^\infty\dfrac{(-1)^n(2n)!x^{2n+\frac{3}{2}}}{2^{2n-1}(n!)^2(1-2n)(4n+3)}+C$

$I=\int(1+x)^\frac{1}{2}(1+x^2)^\frac{1}{2}$

$=\int(x+1)^\frac{1}{2}\sum\limits_{n=0}^\infty\dfrac{(-1)^n(2n)!x^{2n}}{4^n(n!)^2(1-2n)}dx$

$=\int(x+1)^\frac{1}{2}\sum\limits_{n=0}^\infty\dfrac{(-1)^n(2n)!(x+1-1)^{2n}}{4^n(n!)^2(1-2n)}dx$

$=\int(x+1)^\frac{1}{2}\sum\limits_{n=0}^\infty\sum\limits_{k=0}^{2n}\dfrac{(-1)^{-n}(2n)!C_k^{2n}(-1)^{2n-k}(x+1)^k}{4^n(n!)^2(1-2n)}dx$

$=\int\sum\limits_{n=0}^\infty\sum\limits_{k=0}^{2n}\dfrac{(-1)^{n-k}((2n)!)^2(x+1)^{k+\frac{1}{2}}}{4^n(n!)^2k!(2n-k)!(1-2n)}dx$

$=\sum\limits_{n=0}^\infty\sum\limits_{k=0}^{2n}\dfrac{(-1)^{n-k}((2n)!)^2(x+1)^{k+\frac{3}{2}}}{4^n(n!)^2k!(2n-k)!(1-2n)\left(k+\frac{3}{2}\right)}+C$

$=\sum\limits_{n=0}^\infty\sum\limits_{k=0}^{2n}\dfrac{(-1)^{n-k}((2n)!)^2(x+1)^{k+\frac{3}{2}}}{2^{2n-1}(n!)^2k!(2n-k)!(1-2n)(2k+3)}+C$

Cuando $|x|\geq1$ ,

$J=\int x^\frac{1}{2}(1+x^2)^\frac{1}{2}$

$=\int x^\frac{1}{2}\left(x^2\left(\dfrac{1}{x^2}+1\right)\right)^\frac{1}{2}$

$=\int x^\frac{3}{2}\left(1+\dfrac{1}{x^2}\right)^\frac{1}{2}$

$=\int x^\frac{3}{2}\sum\limits_{n=0}^\infty\dfrac{(-1)^n(2n)!x^{-2n}}{4^n(n!)^2(1-2n)}dx$

$=\int\sum\limits_{n=0}^\infty\dfrac{(-1)^n(2n)!x^{\frac{3}{2}-2n}}{4^n(n!)^2(1-2n)}dx$

$=\sum\limits_{n=0}^\infty\dfrac{(-1)^n(2n)!x^{\frac{5}{2}-2n}}{4^n(n!)^2(1-2n)\left(\dfrac{5}{2}-2n\right)}+C$

$=\sum\limits_{n=0}^\infty\dfrac{(-1)^n(2n)!}{2^{2n-1}(n!)^2(2n-1)(4n-5)x^{2n-\frac{5}{2}}}+C$

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