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Límite superior de $\int_{0}^{1}x^{2n-2} (1+x)^{n} e^{-cx^2}{_2F_1}(-\frac{n}{2},n-1;n-0.5;x)dx$

La integral es

$\int_{0}^{1}x^{2n-2} (1+x)^{n} e^{-cx^2}{_2F_1}(-\frac{n}{2},n-1;n-0.5;x)dx$,

donde $n$ es un entero positivo, $c$ es un número real positivo y $c$ tiene aproximadamente la misma magnitud que n ($c$~$n$).

¿Hay un resultado en forma cerrada de esta integral, o en su lugar una cota superior?

He intentado varios métodos para obtener una cota superior, principalmente separando $e^{-cx^2}$ y la parte hipergeométrica (ya que no hay un resultado existente de una integral con ambos, hasta donde yo sé). Pero la monotonía de las partes separadas no coincide.

Otra forma es expandir la función hipergeométrica y el término $(1+x)^{b}$. El resultado es una suma de series de función gamma incompleta, pero la parte $-\frac{n}{2}$ en la función hipergeométrica hace que la suma sea alternada, lo que dificulta obtener cualquier cota.

Finalmente, intenté

${_2F_1}(-\frac{n}{2},n-1;n-0.5;x)=(1-x)^{\frac{n+1}{2}}{_2F_1}(\frac{3n}{2}+0.5,0.5;n-0.5;x)$

lo cual resuelve el problema de alternancia, pero la introducción del término $(1-x)^{\frac{n+1}{2}}{_2F_1}$ hace que el resultado sea una suma de series con ${_1F_1}$, lo cual es mucho más difícil de tratar en comparación con la función gamma incompleta.

4voto

Svyatoslav Puntos 151

Encontraremos el asintótico de la integral en $n\to\infty$.

Usando la representación integral $\,_2F_1(a,b;c;x)=\frac1{B(b,\,c-b)}\int_0^1z^{b-1}(1-z)^{c-b-1}(1-zx)^{-a}dz,\, c>b>0$ $$_2F_1\Big(-\frac n2,n-1;n-\frac12;x\Big)=\frac1{B\big(n-1;\frac12\big)}\int_0^1 z^{n-2}(1-z)^{-\frac12}(1-zx)^\frac n2dz\tag{1}$$ La condición $c>b>0$ se cumple ($n-\frac12>n-1>0$).

Usando (1) $$I(n,c)=\frac1{B\big(n-1;\frac12\big)}\int_0^1 dx\int_0^1dz\,\,e^{-cx^2}(1-z)^{-\frac12}z^{n-2}(1-zx)^\frac n2 x^{2n-2}(1+x)^n$$ $$=\frac1{B\big(n-1;\frac12\big)}\int_0^1 dx\int_0^1dz\,\,e^{-cx^2}(1-z)^{-\frac12}z^{-2}x^{-2}e^{n(2\ln x+\ln(1+x)+\ln z+\frac12\ln(1-zx)}$$ Vemos que la función $f(x,z)=2\ln x+\ln(1+x)+\ln z+\frac12\ln(1-zx)$ no tiene un extremo dentro de $(x,z)\in(0;1)\times(0;1)$. De hecho, $$\frac{\partial}{\partial x}f(x,z)=\frac2x+\frac1{1+x}-\frac z{2(1-zx)}\tag{a}$$ $$\frac{\partial}{\partial z}f(x,z)=\frac1z-\frac x{2(1-zx)}\text{(Se corrigió un pequeño error)}\tag{b}$$ Multiplicando (a) y (b) respectivamente por $x$ y $z$ y tomando la diferencia, $$\frac x{1+x}+1\neq0$$ Esto significa que la función $f(x,z)$ solo puede tener un extremo condicional en el borde del área. Es evidente ver (sin una prueba de mi parte) que este máximo condicional se alcanza en $x\to1$. Haciendo la sustitución $x=1-t$ $$I(n,c)=\frac{2^n}{B\big(n-1;\frac12\big)}\int_0^1\int_0^1\frac{e^{-c(1-t)^2}}{(1-t)^2}\frac{e^{n\big(2\ln(1-t)+\ln(1-\frac t2)\big)}}{\sqrt{1-z}}(1-z+tz)^\frac n2z^nz^{-2} dtdz$$ Usando también $$B\big(n-1;\frac12\big)=\int_0^1(1-x)^{n-2}\frac{dx}{\sqrt x}=2\int_0^1e^{(n-2)\ln(1-t^2)}dt\sim2\int_0^\infty e^{(n-2)t^2}dt\sim\sqrt{\frac\pi n}$$ y considerando $t\ll1$, obtenemos el término asintótico principal: $$I(n,c)\sim\sqrt{\frac n\pi }2^ne^{-c}\int_0^1\int_0^1e^{-\frac52nt}(1-z+zt)^\frac n2\frac1{\sqrt{1-z}}\frac{z^{n}}{z^2}dtdz$$ $$=\sqrt{\frac n\pi}2^ne^{-c}\int_0^1\int_0^1e^{-\frac52nt}(1+\frac{zt}{1-z})^\frac n2\frac{(1-z)^\frac n2}{\sqrt{1-z}}\frac{z^{n}}{z^2}dtdz$$ $$=\sqrt{\frac n\pi}2^ne^{-c}\int_0^1\int_0^1e^{-\frac52nt}(1+\frac{zt}{1-z})^\frac n2\frac{e^{n\big(\ln z+\frac12\ln(1-z)\big)}}{z^2\sqrt{1-z}}dtdz$$ $$=\sqrt{\frac n\pi}2^ne^{-c}\frac 2{5n}\int_0^{\frac{5n}2}e^{-x}dx\int_0^1\Big(1+\frac{2zx}{5(1-z)n}\Big)^\frac n2\frac{e^{n\big(\ln z+\frac12\ln(1-z)\big)}}{z^2\sqrt{1-z}}dz$$ La función $g(z)=\ln z+\frac12\ln(1-z)$ alcanza su máximo en $z_0=\frac23;\,g''(z_0)=-\frac{27}4$. Usando el método de Laplace $$I\sim\sqrt{\frac n\pi}\frac {2^{n+1}e^{-c}}{5n}\frac{e^{n\big(\ln z_0+\frac12\ln(1-z_0)\big)}}{z_0^2\sqrt{1-z_0}}\int_0^\infty e^{-x+\frac{z_0x}{5(1-z_0)}}dx\int_{-\infty}^\infty e^{-\frac{27ns^2}8}ds$$ Integrando y colocando $z_0=\frac23$, después de transformaciones sencillas obtenemos el término asintótico principal: $$\boxed{\,\,I(n,c)\sim \frac{e^{-c}}{n}\frac{2^{2n+\frac12}}{3^\frac{3n}2},\,\,n\gg1\,\,}$$ El análisis muestra que $\displaystyle I(n,c)\sim \frac{e^{-c}}{n}\frac{2^{2n+\frac12}}{3^\frac{3n}2}\left(1+O\Big(\frac1n\Big)\right)$.

Tenemos un acuerdo numérico razonable incluso con bajos $n$: por ejemplo, en $c=0$ y $n=20$ $\displaystyle I(20,0)=0.000396...;\,\,\text{aproximación}=0.000377...$; la diferencia $\approx 5$% $= \frac1{20}$

(https://www.wolframalpha.com/input?i=%5Cint_0%5E1%28x%5E%7B38%7D%281%2Bx%29%5E%7B20%7D+2F1%5B-10%2C+19%2C+19.5%2C+x%5D%29dx y https://www.wolframalpha.com/input?i=2%5E%2840.5%29%2F3%5E%2830%29%2F20)

No puedo revisar la respuesta para $n$ más grandes: WA no evalúa correctamente la integral (incluso aparecen valores negativos - por ejemplo, https://www.wolframalpha.com/input?i=%5Cint_0%5E1%28x%5E%7B98%7D%281%2Bx%29%5E%7B50%7D+2F1%5B-25%2C+49%2C+49.5%2C+x%5D%29dx)

1voto

Claude Leibovici Puntos 54392

Demasiado largo para un comentario.

$$I_n=\, _2F_1\left(n-1,-\frac{n}{2};n-\frac{1}{2};x\right)\,dx$$ parece ser más que difícil.

Incluso si utilizamos $$\, _2F_1\left(n-1,-\frac{n}{2};n-\frac{1}{2};x\right)=\sum_{k=0}^\infty a_k\, x^k$$ el cálculo de $$J_k=\int_{0}^{1}x^{2n-2+k}\, (1+x)^{n}\, e^{-cx^2}\,dx$$ es explícito para un valor dado de $n$ (como notaste, implica la función gamma completa e incompleta y potencias de $c$) pero rápidamente se desordena por no decir más. Prefiero no pensar en la suma sobre $k$.

Usando Mathematica, lo que noté es que $I_1$ y $I_2$ tienen expresiones bastante simples pero no hay resultado para ningún valor impar de $n$.

Para $n$ par, hay resultados que se escriben como $$I_{2n}=\sqrt {\pi c}\, P_n \,\text{erf}\left(\sqrt{c}\right)+Q_n\,e^{-c}+R_n$$ donde los $P_n$, $Q_n$ y $R_n$ son polinomios en $\frac{1}{c}$.

Por ejemplo, para $I_{6}$ $$P_{6}=\frac{945}{64 c^6}+\frac{155925}{1664c^7}-\frac{876015}{256 c^8}+\frac{13650525}{512c^9}-\frac{9398025}{128c^{10}}$$ y $$Q_{6}=-\frac{32}{143 c}-\frac{96}{143 c^2}-\frac{252}{143 c^3}+\frac{288}{143 c^4}+\frac{2448}{13 c^5}+\frac{2224125}{832 c^6}+\frac{3671595}{176 c^7}+\frac{3427769205}{36608 c^8}+\frac{2528357895}{9152 c^9}+\frac{20321280}{143 c^{10}}$$ y $$R_{6}=\frac{2160}{11 c^6}-\frac{339120}{143 c^7}+\frac{120960}{13 c^8}+\frac{1814400}{143 c^9}-\frac{20321280}{143 c^{10}}$$

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