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Obtenga una aproximación de $\int_0^1\int_0^1\frac{1+x+y^2+x^3+\ldots}{1+y+x^2+y^3+\ldots}dxdy$

Me interesa saber cómo obtener una aproximación de la integral doble definida como límite de estas $$\int_0^1\int_0^1\frac{1+x}{1+y}dxdy\,,$$ $$\int_0^1\int_0^1\frac{1+x+y^2}{1+y+x^2}dxdy\,,$$ $$\int_0^1\int_0^1\frac{1+x+y^2+x^3}{1+y+x^2+y^3}dxdy\,,\ldots$$

Pregunta. Proporcionarme una aproximación de la integral definida definida como límite de la secuencia anterior. Gracias de antemano.

Utilizando la fórmula para obtener la suma de una serie geométrica sé obtener en forma cerrada el integrando. Además supongo que es posible obtener una forma cerrada de la misma, ya que Wolfram Alpha puede deducir las antiderivadas. En cualquier caso incluso la evaluación de los límites de la integral me parece ahora complicada.

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Jan Eerland Puntos 4354

Bueno, en primer lugar podemos escribir:

$$\mathscr{F}\left(\text{x},\text{y}\right):=\frac{1+\text{x}+\text{y}^2+\text{x}^3+\dots}{1+\text{y}+\text{x}^2+\text{y}^3+\dots}=\frac{\sum\limits_{\text{n}=0}^\infty\text{x}^{2\text{n}+1}+\sum\limits_{\text{n}=0}^\infty\text{y}^{2\text{n}}}{\sum\limits_{\text{n}=0}^\infty\text{x}^{2\text{n}}+\sum\limits_{\text{n}=0}^\infty\text{y}^{2\text{n}+1}}\tag1$$

Ahora, podemos usar:

  • Cuando $\left|\text{x}\right|<1$ : $$\sum_{\text{n}=0}^\infty\text{x}^{2\text{n}+1}=\frac{\text{x}}{1-\text{x}^2}\tag2$$
  • Cuando $\left|\text{x}\right|<1$ : $$\sum_{\text{n}=0}^\infty\text{x}^{2\text{n}}=\frac{1}{1-\text{x}^2}\tag3$$

Así que, tenemos:

$$\mathscr{F}\left(\text{x},\text{y}\right)=\frac{\frac{\text{x}}{1-\text{x}^2}+\frac{1}{1-\text{y}^2}}{\frac{1}{1-\text{x}^2}+\frac{\text{y}}{1-\text{y}^2}}=\frac{\text{x}\cdot\left(\text{x}+\text{y}^2-1\right)-1}{\text{y}\cdot\left(\text{x}^2+\text{y}-1\right)-1}\tag4$$

Cuando $\left|\text{x}\right|<1\space\wedge\space\left|\text{y}\right|<1$

Para el $\text{x}$ integral que obtenemos:

$$\mathscr{I}_{\space\text{x}}\left(\text{y}\right):=\int_0^1\mathscr{F}\left(\text{x},\text{y}\right)\space\text{d}\text{x}=\int_0^1\frac{\text{x}\cdot\left(\text{x}+\text{y}^2-1\right)-1}{\text{y}\cdot\left(\text{x}^2+\text{y}-1\right)-1}\space\text{d}\text{x}=$$ $$\left(\text{y}^2-1\right)\int_0^1\frac{\text{x}-1}{\text{y}\cdot\left(\text{x}^2-1\right)+\text{y}^2-1}\space\text{d}\text{x}+\frac{1}{\text{y}}\int_0^11\space\text{d}\text{x}\tag5$$

Así, obtenemos para las integrales indefinidas

  • $$\int1\space\text{d}\text{x}=\text{x}+\text{C}_1\tag6$$
  • $$\int\frac{\text{x}-1}{\text{y}\cdot\left(\text{x}^2-1\right)+\text{y}^2-1}\space\text{d}\text{x}=$$ $$\int\frac{\text{x}}{\text{y}\cdot\left(\text{x}^2-1\right)+\text{y}^2-1}\space\text{d}\text{x}-\int\frac{1}{\text{y}\cdot\left(\text{x}^2-1\right)+\text{y}^2-1}\space\text{d}\text{x}\tag7$$
  • Sustituir $\text{u}:=\text{y}\cdot\left(\text{x}^2-1\right)+\text{y}^2-1$ : $$\int\frac{\text{x}}{\text{y}\cdot\left(\text{x}^2-1\right)+\text{y}^2-1}\space\text{d}\text{x}=\frac{1}{2\cdot\text{y}}\int\frac{1}{\text{u}}\space\text{d}\text{u}=\frac{\ln\left|\text{u}\right|}{2\cdot\text{y}}+\text{C}_2\tag8$$
  • Sustituir $\text{p}:=\frac{\text{x}\cdot\sqrt{\text{y}}}{\sqrt{\text{y}^2-\text{y}-1}}$ : $$\int\frac{1}{\text{y}\cdot\left(\text{x}^2-1\right)+\text{y}^2-1}\space\text{d}\text{x}=\frac{1}{\sqrt{\text{y}}\cdot\sqrt{\text{y}^2-\text{y}-1}}\int\frac{1}{1+\text{p}^2}\space\text{d}\text{p}=$$ $$\frac{\arctan\left(\text{p}\right)}{\sqrt{\text{y}}\cdot\sqrt{\text{y}^2-\text{y}-1}}+\text{C}_3\tag9$$

Así, para el $\text{x}$ integral que obtenemos:

$$\mathscr{I}_{\space\text{x}}\left(\text{y}\right)=\left(\text{y}^2-1\right)\cdot\left[\frac{\ln\left|\text{y}\cdot\left(\text{x}^2-1\right)+\text{y}^2-1\right|}{2\cdot\text{y}}-\frac{\arctan\left(\frac{\text{x}\cdot\sqrt{\text{y}}}{\sqrt{\text{y}^2-\text{y}-1}}\right)}{\sqrt{\text{y}}\cdot\sqrt{\text{y}^2-\text{y}-1}}\right]_0^1+\frac{1}{\text{y}}=$$ $$\left(\text{y}^2-1\right)\cdot\left\{\frac{\ln\left|\frac{\text{y}^2-1}{\text{y}^2-\text{y}-1}\right|}{2\cdot\text{y}}-\frac{\arctan\left(\frac{\sqrt{\text{y}}}{\sqrt{\text{y}^2-\text{y}-1}}\right)}{\sqrt{\text{y}}\cdot\sqrt{\text{y}^2-\text{y}-1}}\right\}+\frac{1}{\text{y}}\tag{10}$$

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Vaya, muchas gracias voy a estudiar su respuesta.

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Raffaele Puntos 339

El numerador puede escribirse como $$\sum _{n=0}^{\infty } y^{2 n}=\frac{1}{1-y^2};\quad \sum _{n=1}^{\infty } x^{2 n-1}=-\frac{x}{x^2-1}$$ es decir $$\frac{1}{1-y^2}-\frac{x}{x^2-1}=\frac{-x^2-x y^2+x+1}{\left(x^2-1\right) \left(y^2-1\right)}$$ El denominador es bastante el mismo trabajo de intercambio de $x$ y $y$ $$\frac{1}{1-x^2}-\frac{y}{y^2-1}=\frac{-x^2y-y^2+y+1}{\left(x^2-1\right) \left(y^2-1\right)}$$ La fracción se convierte simplemente en $$\frac{-x^2-x y^2+x+1}{-x^2y-y^2+y+1}$$

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En mi opinión, la integral diverge

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Imo la fracción se queda entre $4/5$ y $5/4$ en el cuadrado unitario para que la integral converja perfectamente bien.

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Muchas gracias por tu aportación Raffaele, y @mercio muchas gracias por ayudar aquí.

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