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Derivación de un resultado integral.

En este hilo se menciona que:

0(arccotx)3dx=3π2ln2421ζ(3)8

donde ζ es la de Riemann zeta función.

Los pasos para la solución tomé son:

0(arccotx)3dx=0(x)(arccotx)3dx=[x(arccotx)3]0+30x(arccotx)2x2+1dx=3[ln(1+x2)(arccot(x))22]0+30ln(1+x2)arccotxx2+1dx=3(10ln(1+x2)arccotxx2+1dx+1ln(1+x2)arccotxx2+1dx)=3(10ln(1+x2)arccotxx2+1dx+10ln(1+1x2)arctanx1+1x21x2dx)=3(10ln(1+x2)arccotxx2+1dx+10(ln(1+x2)2lnx)arctanx1+x2dx)=3(10ln(1+x2)(arccotx+arctanx)x2+1dx210lnxarctanx1+x2dx)=3(π210ln(1+x2)1+x2dx210lnxarctanx1+x2dx)

Vamos ahora a calcular la primera integral:

10ln(1+x2)1+x2dxx=tanθ=====π/40ln(1+tan2θ)1+tan2θsec2θdθ=π/40ln(1+tan2θ)dθ=π/40lnsec2θdθ=2π/40lnsecθdθ=2π/40lncosθdθ=2(π/40(n=1(1)ncos2nθnln2)dθ)=2n=1(1)nnπ/40cos2nθdθ+2π/40ln2dθ=2n=1(1)nsinnπ22n2+πln22=n=1(1)nsinnπ22n2+πln22=πln22+n=0(1)n(2n+1)2=πln22G

donde G es el catalán es constante.

Vamos a pasar a la segunda integral:

10lnxarctanx1+x2dx=10lnxn=1(1)n1(H2nHn2)x2n1dx=n=1(1)n1(H2nHn2)10x2n1lnxdx=14n=1(1)n1H2nHn2n2=14n=1(1)nH2nHn2n2=14n=1(1)nH2nn218n=1(1)nHnn2

La segunda suma es un viejo cuento de evaluación a

n=1(1)nHnn2=5ζ(3)8

ver por ejemplo este enlace.La primera suma debe llevar la G en . La pregunta es ¿cómo?

5voto

FDP Puntos 448

J=0arctanxlnx1+x2dxK=10arctanxlnx1+x2dx

Definir en [0;+[ la función, R(x)=x0lnt1+t2dt=10xln(tx)1+t2x2dt Observar que, lim

Realizar la integración por partes, \begin{align}J&=\Big[R(x)\arctan x\Big]_0^\infty-\int_0^\infty \left(\int_0^1 \frac{x\ln(tx)}{(1+t^2x^2)(1+x^2)}\,dt\right)\,dx\\ &=-\int_0^\infty\left(\int_0^1 \frac{x\ln x}{(1+t^2x^2)(1+x^2)}\,dt\right)\,dx-\int_0^1 \left(\int_0^\infty \frac{x\ln t}{(1+t^2x^2)(1+x^2)}\,dx\right)\,dt\\ &=-\int_0^\infty \ln x\left[\frac{\arctan(tx)}{1+x^2}\right]_{t=0}^{t=1} \,dx-\int_0^1 \ln t\left[\frac{\ln\left(\frac{1+x^2}{1+t^2x^2}\right)}{2(1-t^2)}\right]_{x=0}^{x=\infty}\,dt\\ &=-J+\int_0^1 \frac{\ln^2 t}{1-t^2}\,dt\\ &=-J+\int_0^1 \frac{\ln^2 t}{1-t}\,dt-\int_0^1 \frac{t\ln^2 t}{1-t^2}\,dt\\ \end{align} En el último integral realizar el cambio de variable variable \displaystyle y=x^2, \begin{align}J&=-J+\left(1-\frac{1}{8}\right)\int_0^1 \frac{\ln^2 t}{1-t}\,dt\\ &=-J+\left(1-\frac{1}{8}\right)\times 2\zeta(3)\\ \end{align} Por lo tanto, \begin{align}\boxed{J=\dfrac{7}{8}\zeta(3)}\end{align} Pero, \begin{align}J&=\int_0^1 \frac{\arctan x\ln x}{1+x^2}\,dx+\int_1^\infty \frac{\arctan x\ln x}{1+x^2}\,dx\\ &=K+\int_1^\infty \frac{\arctan x\ln x}{1+x^2}\,dx\end{align} Realizar el cambio de variable y=\dfrac{1}{x}, \begin{align}J&=K-\int_0^1 \frac{\arctan \left(\frac{1}{x}\right)\ln x}{1+x^2}\,dx\\ &=2K+\frac{1}{2}\pi\text{G} \end{align} por lo tanto, \begin{align}\boxed{K=\dfrac{7}{16}\zeta(3)-\frac{1}{4}\pi\text{G}}\end{align}

NB:

Para x>0,\arctan x+\arctan\left(\dfrac{1}{x}\right)=\dfrac{\pi}{2}

\displaystyle \int_0^1 \dfrac{\ln x}{1+x^2}\,dx=-\text{G}

\text{G} el catalán es constante.

Addendum: \begin{align}L&=\int_0^1 \frac{\ln(1+x^2)}{1+x^2}\,dx\end{align} Realizar el cambio de variable y=\tan x, \begin{align}L&=-2\int_0^{\frac{\pi}{4}}\ln(\cos x)\,dx\end{align}

\begin{align}A&=\int_0^{\frac{\pi}{4}}\ln(\cos x)\,dx\\ B&=\int_0^{\frac{\pi}{4}}\ln(\sin x)\,dx\\ A+B&=\int_0^{\frac{\pi}{4}}\ln(\sin x\cos x)\,dx\\ &=\int_0^{\frac{\pi}{4}}\ln\left(\frac{\sin(2x)}{2}\right)\,dx\\ &=\int_0^{\frac{\pi}{4}}\ln\left(\sin(2x)\right)\,dx-\frac{\pi}{4}\ln 2\\ \end{align} Realizar el cambio de variable \displaystyle y=2x, \begin{align}A+B&=\frac{1}{2}\int_0^{\frac{\pi}{2}}\ln\left(\sin x\right)\,dx-\frac{\pi}{4}\ln 2\\ &=\frac{1}{2}\times -\frac{\pi}{2}\ln 2-\frac{\pi}{4}\ln 2\\ &=-\frac{\pi}{2}\ln 2\\ B-A&=\int_0^{\frac{\pi}{4}}\ln\left(\tan x\right)\,dx\\ &=-\text{G}\\\end{align} Por lo tanto, \begin{align}A&=\frac{1}{2}\text{G}-\frac{1}{4}\pi\ln 2\\ B&=-\frac{1}{2}\text{G}-\frac{1}{4}\pi\ln 2 \end{align} Por lo tanto, \begin{align}\boxed{L=\frac{1}{2}\pi\ln 2-\text{G}}\end{align}

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