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Evaluación de un tipo particular de integral que involucra logaritmos y función trigonométrica

¿Existe alguna forma cerrada para $$ \int _0 ^{\infty}\int _0 ^{\infty}\int _0 ^{\infty} \log(x)\log(y)\log(z)\cos(x^2+y^2+z^2)dzdydx$$ Si es así, ¿cómo se puede demostrar?

8voto

Ron Gordon Puntos 96158

Una forma de atacar esto es explotar la simetría de la integral. Empieza por expandir el término del coseno en trozos individuales, es decir

$$\begin{align}\cos{(x^2+y^2+z^2)} &= \cos{x^2} \cos{(y^2+z^2)} - \sin{x^2} \sin{(y^2+z^2)}\\ &= \cos{x^2} \cos{y^2} \cos{z^2} - \cos{x^2} \sin{y^2} \sin{z^2} \\ &\quad -\sin{x^2} \sin{y^2} \cos{z^2} - \sin{x^2} \cos{y^2} \sin{z^2} \end{align}$$

Siguiente definición

$$C = \int_0^{\infty} dx \, \cos{x^2} \: \log{x} $$ $$S = \int_0^{\infty} dx \, \sin{x^2} \: \log{x} $$

Entonces la integral triple es igual a $C^3-3 C S^2$ .

Obtenemos $C$ y $S$ utilizando el teorema de Cauchy para encontrar $C+i S$ . Para ello, consideramos la integral

$$\oint_{\eta} dz \, e^{i z^2} \log{z}$$

donde $\eta$ es una cuña circular de radio $R$ y el ángulo $\pi/4$ en el semiplano superior con base en el eje real positivo. Se puede demostrar que la integral sobre el arco circular desaparece como $\pi \log{R}/(4 R)$ como $R \to \infty$ . Así, tenemos

$$C+i S = e^{i \pi/4} \int_0^{\infty} dt \, e^{-t^2} \left (\log{t} + i \frac{\pi}{4} \right ) $$

Se puede derivar el valor de esta integral observando que

$$\int_0^{\infty} dt \, e^{-t^2} \log{t} = -\frac{\sqrt{\pi}}{4} (\gamma + 2 \log{2})$$

Este valor se deriva de utilizar el valor de

$$\frac12 \left [\frac{d}{d\alpha} \Gamma \left (\frac{\alpha+1}{2} \right ) \right ]_{\alpha=0} = \frac14 \Gamma \left (\frac12 \right ) \psi \left ( \frac12 \right )$$

También utilizamos

$$\int_0^{\infty} dt \, e^{-t^2} = \frac{\sqrt{\pi}}{2}$$

para obtener

$$C = -\frac18 \sqrt{\frac{\pi}{2}} (\pi + 2 \gamma + 4 \log{2})$$ $$S = \frac18 \sqrt{\frac{\pi}{2}} (\pi - 2 \gamma - 4 \log{2})$$

y por lo tanto la integral triple es

$$C^3-3 C S^2 = \frac{\pi ^{3/2} \left(4 \gamma ^2-8 \gamma \pi +\pi ^2+16 \log{2} \,(\gamma -\pi +\log{2})\right) (2 \gamma +\pi +4 \log{2})}{512 \sqrt{2}}$$

4voto

Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\+}{^{\dagger}} \newcommand{\angles}[1]{\left\langle\, #1 \,\right\rangle} \newcommand{\braces}[1]{\left\lbrace\, #1 \,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\, #1 \,\right\rbrack} \newcommand{\ceil}[1]{\,\left\lceil\, #1 \,\right\rceil\,} \newcommand{\dd}{{\rm d}} \newcommand{\down}{\downarrow} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,{\rm e}^{#1}\,} \newcommand{\fermi}{\,{\rm f}} \newcommand{\floor}[1]{\,\left\lfloor #1 \right\rfloor\,} \newcommand{\half}{{1 \over 2}} \newcommand{\ic}{{\rm i}} \newcommand{\iff}{\Longleftrightarrow} \newcommand{\imp}{\Longrightarrow} \newcommand{\isdiv}{\,\left.\right\vert\,} \newcommand{\ket}[1]{\left\vert #1\right\rangle} \newcommand{\ol}[1]{\overline{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left(\, #1 \,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\partial #3^{#1}}} \newcommand{\pp}{{\cal P}} \newcommand{\root}[2][]{\,\sqrt[#1]{\vphantom{\large A}\,#2\,}\,} \newcommand{\sech}{\,{\rm sech}} \newcommand{\sgn}{\,{\rm sgn}} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{{\rm d}^{#1} #2}{{\rm d} #3^{#1}}} \newcommand{\ul}[1]{\underline{#1}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\, #1 \,\right\vert} \newcommand{\wt}[1]{\widetilde{#1}}$ $\ds{\int_{0}^{\infty}\int_{0}^{\infty}\int_{0}^{\infty} \ln\pars{x}\ln\pars{y}\ln\pars{z}\cos\pars{x^{2} + y^{2} + z^{2}} \,\dd z\,\dd y\,\dd x:\ {\large ?}}$

\begin{align}&\color{#c00000}{\int_{0}^{\infty}\int_{0}^{\infty}\int_{0}^{\infty} \ln\pars{x}\ln\pars{y}\ln\pars{z}\cos\pars{x^{2} + y^{2} + z^{2}} \,\dd z\,\dd y\,\dd x} \\[3mm]&=\Re\pars{\int_{0}^{\infty}\int_{0}^{\infty}\int_{0}^{\infty} \ln\pars{x}\ln\pars{y}\ln\pars{z}\expo{\ic\pars{x^{2} + y^{2} + z^{2}}} \,\dd z\,\dd y\,\dd x} \\[3mm]&=\Re\pars{\bracks{\int_{0}^{\infty}\ln\pars{x}\expo{\ic x^{2}}\,\dd x}^{3}} ={1 \over 64}\,\Re\pars{\bracks{% \int_{0}^{\infty}x^{-1/2}\ln\pars{x}\expo{\ic x}\,\dd x}^{3}} \\[3mm]&={1 \over 64}\,\Re\pars{\bracks{\lim_{\mu \to -1/2}\partiald{}{\mu} \color{#00f}{\int_{0}^{\infty}x^{\mu}\expo{\ic x}\,\dd x}}^{3}} \quad\mbox{where}\quad -1 < \mu < 0\tag{1} \end{align}

Con $\ds{\ic x \equiv -t\quad\imp\quad x = \ic t}$ \begin{align}&\color{#00f}{\int_{0}^{\infty}x^{\mu}\expo{\ic x}\,\dd x} =\expo{\pi\mu\ic/2}\int_{0}^{-\infty\ic}t^{\mu}\expo{-t}\ic\,\dd x \\[3mm]&=\ic\expo{\pi\mu\ic/2}\pars{\int_{0}^{\infty}t^{\mu}\expo{-t}\,\dd x -\lim_{R \to \infty} \int_{\verts{z}\ =\ R\atop {\vphantom{\Huge A} -\pi/2\ <\ {\rm Arg}\pars{z}\ <\ 0}} z^{\mu}\expo{-z}\,\dd z}\tag{2} \end{align}

Sin embargo, \begin{align}&0 < \verts{\int_{\verts{z}\ =\ R\atop {\vphantom{\Huge A} -\pi/2\ <\ {\rm Arg}\pars{z}\ <\ 0}}z^{\mu}\expo{-z}\,\dd z} <\int_{-\pi/2}^{0}R^{\mu}\exp\pars{-R\cos\pars{\theta}}R\,\dd\theta \\[3mm]&=R^{\mu + 1}\int_{0}^{\pi/2}\expo{-R\sin\pars{\theta}}\,\dd\theta <R^{\mu + 1}\int_{0}^{\pi/2}\expo{-2R\theta/\pi}\,\dd\theta ={\pi \over 2}\,R^{\mu}\pars{1 - \expo{-R}} \end{align}

Entonces, $$ \lim_{R \to \infty} \int_{\verts{z}\ =\ R\atop {\vphantom{\Huge A} -\pi/2\ <\ {\rm Arg}\pars{z}\ <\ 0}} z^{\mu}\expo{-z}\,\dd z = 0 \quad\mbox{since}\quad \mu <0. $$ y, a partir de la expresión $\pars{2}$ , $$ \color{#00f}{\int_{0}^{\infty}x^{\mu}\expo{\ic x}\,\dd x} =\ic\expo{\pi\mu\ic/2}\Gamma\pars{\mu + 1} $$ donde $\ds{\Gamma\pars{z}}$ es el Función gamma ${\bf\mbox{6.1.1}}$ . También $$\lim_{\mu \to -1/2}\partiald{}{\mu} \color{#00f}{\int_{0}^{\infty}x^{\mu}\expo{\ic x}\,\dd x} =-\,{\pi \over 2}\,\expo{-\pi\ic/4}\Gamma\pars{\half} +\ic\expo{-\pi\ic/4}\Gamma\pars{\half}\Psi\pars{\half}\tag{3} $$ $\ds{\Psi\pars{z}}$ es el Función Digamma ${\bf\mbox{6.3.1}}$ .

Con $\ds{\Gamma\pars{\half} = \root{\pi}}$ ( véase ${\bf\mbox{6.1.8}}$ ) y $\ds{\Psi\pars{\half} = -\gamma - 2\ln\pars{2}}$ ( véase ${\bf\mbox{6.3.3}}$ ), expresión $\pars{3}$ se reduce a: $$ \lim_{\mu \to -1/2}\partiald{}{\mu} \color{#00f}{\int_{0}^{\infty}x^{\mu}\expo{\ic x}\,\dd x} =-\expo{-\pi\ic/4}\root{\pi}\braces{{\pi \over 2} +\bracks{\gamma + 2\ln\pars{2}}\ic}\tag{4} $$ $\ds{\gamma}$ es el Constante de Euler-Mascheroni ${\bf\mbox{6.1.3}}$ .

Con $\pars{1}$ y $\pars{4}$ encontramos: \begin{align}&\color{#c00000}{\int_{0}^{\infty}\int_{0}^{\infty}\int_{0}^{\infty} \ln\pars{x}\ln\pars{y}\ln\pars{z}\cos\pars{x^{2} + y^{2} + z^{2}} \,\dd z\,\dd y\,\dd x} \\[3mm]&={\pi^{3/2} \over 64}\,\Re\pars{\pars{% -\expo{-\pi\ic/4}\braces{{\pi \over 2} +\bracks{\gamma + 2\ln\pars{2}}\ic}}^{3}} \\[3mm]&=-\,{\root{2}\pi^{3/2} \over 2048} \Re\pars{\braces{\bracks{1 - \ic}\bracks{\pi + \varphi\ic}}^{3}} \quad\mbox{where}\quad\varphi\equiv 2\bracks{\gamma + 2\ln\pars{2}} \end{align}

\begin{align}&\color{#c00000}{\int_{0}^{\infty}\int_{0}^{\infty}\int_{0}^{\infty} \ln\pars{x}\ln\pars{y}\ln\pars{z}\cos\pars{x^{2} + y^{2} + z^{2}} \,\dd z\,\dd y\,\dd x} \\[3mm]&=-\,{\root{2}\pi^{3/2} \over 1024} \Re\pars{\bracks{-1 - \ic}\bracks{\pi + \varphi\ic}^{3}} \\[3mm]&=-\,{\root{2}\pi^{3/2} \over 1024} \Re\pars{\bracks{-1 - \ic} \braces{\pi\bracks{\pi^{2} - 3\varphi^{2}}+ \bracks{3\pi^{2} - \varphi^{2}}\varphi\ic}} \\[3mm]&=-\,{\root{2}\pi^{3/2} \over 1024}\braces{% \pi\bracks{3\varphi^{2} - \pi^{2}} + \bracks{3\pi^{2} - \varphi^{2}}\varphi} \\[3mm]&=-\,{\root{2}\pi^{3/2} \over 1024}\pars{% -\varphi^{3} + 3\pi\varphi^{2} + 3\pi^{2}\varphi - \pi^{3}} \end{align}

\begin{align}&\color{#44f}{\large\int_{0}^{\infty}\int_{0}^{\infty}\int_{0}^{\infty} \ln\pars{x}\ln\pars{y}\ln\pars{z}\cos\pars{x^{2} + y^{2} + z^{2}} \,\dd z\,\dd y\,\dd x} \\[3mm]&=\color{#44f}{\large-\,{\root{2}\pi^{3/2} \over 1024} \pars{\pi + \varphi}\bracks{\pars{2 - \root{3}}\pi - \varphi} \bracks{\pars{-2 - \root{3}}\pi + \varphi}} \\[3mm]&\approx -1.3077\,,\qquad\qquad \varphi \equiv 2\bracks{\gamma + 2\ln\pars{2}} \end{align}

1voto

AlexR Puntos 20704

En realidad, resolver $$J(a):=\int_0^\infty \log(x) \cos(x^2 + a) dx$$ con los rendimientos de Maple $$J(a) = -\frac{\sqrt{2\pi}}{16} (4\log 2 \cos(a) + 2\cos(a) \gamma + \cos(a) \pi - 4\log 2 \sin(a) - 2\sin(a) \gamma + \sin(a) \pi)$$ Wich da esperanza hacia la existencia de la integral, ya que $$I = \int_0^\infty \int_0^\infty \log x \log y J(x^2 + y^2)\ dy\ dx$$ Y $J$ puede expresarse como una combinación lineal de $\cos(a)$ y $\cos(a + \frac{\pi}2) = \sin(a)$ Así que $$\int \log x J(x^2+y^2) dx = \sum_i \lambda_i J(?_i)$$

0voto

5xum Puntos 41561

Desde $\log x \rightarrow \infty$ como $x\rightarrow\infty$ , intente probar que esta integral no existe (debido a la oscilación el $\cos$ factor trae consigo.

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