La forma cerrada para $\int_0^1\sqrt{\frac{2-x}{(1-x)\,x}}\,\log\left(\frac{(2-x)\,x}{1-x}\right)dx$

Question

Esto es algo similar a mi anterior pregunta: la forma Cerrada para $\int_0^1\frac{x^{5/6}}{(1-x)^{1/6}\,(1+2\,x)^{4/3}}\log\left(\frac{1+2x}{x\,(1-x)}\right)\,dx$

Es posible encontrar una forma cerrada para esta integral? $$Q=\int_0^1\sqrt{\frac{2-x}{(1-x)\,x}}\,\log\left(\frac{(2-x)\,x}{1-x}\right)dx$$

Answer 1

En primer lugar, hemos de transformar la integral en una más computable formulario mediante el uso de algunas sustituciones.

$$\begin{align*}\displaystyle Q &= \int_0^1\sqrt{\frac{2-x}{(1-x)\,x}}\,\log\left(\frac{(2-x)\,x}{1-x}\right)dx\\ &=\int_0^1 \sqrt{\frac{1+u}{u(1-u)}}\log \left( \frac{(1+u)(1-u)}{u}\right)du \quad \color{blue}{\text{donde }u=1-x}\\ &= \int_0^1 \frac{1+u}{\sqrt{u(1-u^2)}}\log \left( \frac{1-u^2}{u}\right)du \\ &= \frac{1}{2}\int_0^1 \frac{1+\sqrt{t}}{t^{\frac{3}{4}}\sqrt{1-t}}\log \left(\frac{1-t}{\sqrt{t}} \right)dt \quad \color{blue}{\text{donde }t=u^2} \\ &= \frac{1}{2}\int_0^1 \frac{\log(1-t)}{t^{\frac{3}{4}}\sqrt{1-t}}dt-\frac{1}{4}\int_0^1 \frac{\log(t)}{t^{\frac{3}{4}}\sqrt{1-t}}dt \\ &\quad +\frac{1}{2}\int_0^1 \frac{\log(1-t)}{t^{\frac{1}{4}}\sqrt{1-t}}dt-\frac{1}{4}\int_0^1 \frac{\log(t)}{t^{\frac{1}{4}}\sqrt{1-t}}dt \etiqueta{1} \end{align*}$$

Estos cuatro integrales puede ser evaluado mediante el cálculo de los derivados de la beta de la función en términos de la función digamma. Por ejemplo,

$$ \begin{align*} \int_0^1 \frac{\log(1-t)}{t^{\frac{3}{4}}\sqrt{1-t}}dt &= \frac{d}{dz}\left\{ \int_0^1 t^{-\frac{3}{4}}(1-t)^{z-1} \; dt\right\}_{z=\frac{1}{2}}\\&= \frac{d}{dz}\left\{ \frac{\Gamma \left( \frac{1}{4}\right)\Gamma(z)}{\Gamma \left( \frac{1}{4}+z\right)} \right\}_{z=\frac{1}{2}}\\ &= \frac{\Gamma \left( \frac{1}{4}\right)\sqrt{\pi}}{\Gamma \left( \frac{3}{4}\right)}\left\{\psi_0 \left(\frac{1}{2} \right) -\psi_0 \left(\frac{3}{4} \right)\right\}\\ &= \pi^{3/2}\frac{\sqrt{2}}{\Gamma \left( \frac{3}{4}\right)^2}\left\{\log 2-\frac{\pi}{2} \right\} \etiqueta{2} \\ \end{align*} $$ Para obtener la última expresión, he utilizado los valores especiales $$ \begin{align*} \psi_0 \left(\frac{3}{4}\right) y= -\gamma +\frac{\pi}{2}-3\log 2 \\ \psi_0 \left(\frac{1}{2}\right) y= -\gamma -2\log 2 \end{align*} $$ Utilizando la misma técnica, los otros tres integrales pueden ser evaluados: $$ \begin{align*} \int_0^1 \frac{\log(t)}{t^{\frac{3}{4}}\sqrt{1-t}}dt y= -\pi^{5/2}\frac{\sqrt2}{\Gamma \left( \frac{3}{4}\right)^2}\etiqueta{3} \\ \int_0^1 \frac{\log(t)}{t^{\frac{1}{4}}\sqrt{1-t}}dt&=\frac{(4\pi-16)\Gamma \left( \frac{3}{4}\right)^2}{\sqrt{2\pi}} \etiqueta{4} \\ \int_0^1 \frac{\log(1-t)}{t^{\frac{1}{4}}\sqrt{1-t}}dt&=\frac{2(-8+\pi+2\log 2)\Gamma \left( \frac{3}{4}\right)^2}{\sqrt{2\pi}} \etiqueta{5} \end{align*} $$ Sustituyendo los resultados de las ecuaciones $(2),(3),(4)$ y de $(5)$ $(1)$ da

$$Q=\frac{\Gamma\left(\frac34\right)^{-2}\pi^2\log2-\Gamma\left(\frac34\right)^2(4-2\log2)}{\sqrt{2\,\pi}}$$

Answer 2

$$Q=\frac{\Gamma\left(\frac34\right)^{-2}\pi^2\ln2-\Gamma\left(\frac34\right)^2(4-\ln4)}{\sqrt{2\,\pi}}$$