Forma cerrada de $\int_0^\infty \frac{1}{\left(a+\cosh x\right)^{1/n}} \, dx$ para $a=0,1$

Question

Mientras trabajaba en esta pregunta por @Vladimir Reshetnikov, he conjeturado las siguientes formas cerradas. $$ I_0(n)=\int_0^\infty \frac{1}{\left(\cosh x\right)^{1/n}} \, dx \stackrel{?}{=} \frac{\sqrt{\pi}}{2} \frac{\Gamma\left(\tfrac{1}{2n}\right)}{\Gamma\left(\tfrac{1}{2}+\tfrac{1}{2n}\right)}, $$ para todos $n\geq1$ números reales. En otra forma:

$$ {_2F_1}\left(\begin{array}c\tfrac{1}{2n},\tfrac1n\\1+\tfrac{1}{2n}\end{array}\middle|\,-1\right) \stackrel{?}{=} \frac{\sqrt{\pi}}{n\,2^{1+\frac1n}} \frac{\Gamma\left(\tfrac{1}{2n}\right)}{\Gamma\left(\tfrac{1}{2}+\tfrac{1}{2n}\right)}. $$ Another conjectured closed-form is $$ I_1(n)=\int_0^\infty \frac{1}{\left(1+\cosh x\right)^{1/n}} \, dx \stackrel{?}{=} \frac{\sqrt{\pi}}{2^{1/n}} \frac{\Gamma\left(\tfrac{1}{n}\right)}{\Gamma\left(\tfrac{1}{2}+\tfrac{1}{n}\right)}, $$ for all $n \geq 1$ real numbers. In another form: $$ {_2F_1}\left(\begin{array}c\tfrac1n,\tfrac2n\\1+\tfrac{1}{n}\end{array}\middle|\,-1\right) \stackrel{?}{=} \frac{\sqrt{\pi}}{n\,2^{\frac2n}} \frac{\Gamma\left(\tfrac{1}{n}\right)}{\Gamma\left(\tfrac{1}{2}+\tfrac{1}{n}\right)}. $$

Aquí $\cosh$ es el función coseno hiperbólica , $\Gamma$ es el función gamma y ${_2F_1}$ es el función hipergeométrica .

Preguntas.

• $1^{\text{st}}$ pregunta. ¿Cómo podríamos demostrar la forma cerrada conjeturada para $I_0$ y $I_1$ .
• $2^{\text{nd}}$ pregunta. Cómo podríamos mostrar las formas hipergeométricas equivalentes.
• $3^{\text{rd}}$ pregunta. Existe una forma cerrada de $I_a(n) = \int_0^\infty \frac{1}{\left(a+\cosh x\right)^{1/n}} \, dx$ para $a\geq0,n\geq1$ números reales en términos de Appell $F_1$ función . ¿Podríamos obtener una forma cerrada sólo en términos de la función gamma?

Answer 1

Para el primero, $$\begin{align} \int_0^{\infty} (\operatorname{sech}x)^{2s}dx \\ &= \int_0^{\infty} (\operatorname{sech}^2x)^{s-1}\operatorname{sech}^2x\, dx \\ &= \int_0^{\infty} (1-\tanh^2x)^{s-1}\,\mathrm{d}(\tanh x)\\ &= \int_0^1 (1-x^2)^{s-1} \mathrm{d}x\\ &= \frac12 \int_0^1 (1-x)^{s-1} x^{-\frac12} \mathrm{d}x\\ &= \frac12 B(s,\frac12)=\frac{\sqrt{\pi}}{2}\frac{\Gamma(s)}{\Gamma(\frac12+s)} \end{align}$$ y por lo tanto su conjetura es correcta. Para la segunda integral, dejemos que $x=2t$ : $$\begin{align} \int_0^{\infty} \frac{1}{(1+\cosh x)^s}\mathrm{d}x \\ &= 2\int_0^{\infty} \frac{1}{(1+\cosh 2t)^s}\mathrm{d}t \\ &= 2\int_0^{\infty} \frac{1}{(2\cosh^2(t))^s}\mathrm{d}t\\ &= 2^{1-s} \int_0^{\infty} (\operatorname{sech}t)^{2s}\mathrm{d}t\\ &= 2^{-s} B(s,\frac12)=\frac{\sqrt{\pi}}{2^s}\frac{\Gamma(s)}{\Gamma(\frac12+s)} \end{align}$$

Answer 2

Ampliar @nospoon de la idea, observamos que

$$ a + \cosh 2x = (a+1)\cosh^2 x (1 - b \tanh^2 x), \qquad b =\frac{a-1}{a+1}. $$

Si $a > -1$ entonces $b < 1$ y utilizando la sustitución $u = \tanh^2 x$ obtenemos

$$ \int_{0}^{\infty} \frac{dx}{(a + \cosh x)^{s}} \, dx = \frac{1}{(a+1)^{s}} \int_{0}^{1} \frac{(1 - u)^{s-1}}{(1 - b u)^s\sqrt{u}} \, du. $$

Hacer más sustituciones $v = \frac{1-u}{1-bu}$ tenemos

$$ \int_{0}^{\infty} \frac{dx}{(a + \cosh x)^{s}} \, dx = \frac{1}{(a+1)^{s}} \int_{0}^{1} \frac{v^{s-1}}{\sqrt{(1-v)(1-bv)}} \, dv. $$

Esto se integra fácilmente cuando $b = 0$ o $b = -1$ cada uno de los cuales corresponde a $a = 1$ o $a = 0$ pero dudo que esta integral tenga una forma cerrada agradable en general. Por ejemplo, cuando $s = 1/2$ se convierte en una integral elíptica y Mathematica 11 da

$$ \int_{0}^{1} \frac{dv}{\sqrt{v(1-v)(1-bv)}} = 2 \left[ \frac{1}{\sqrt{b}} K \left( \sqrt{\tfrac{1}{b}} \right) + i K \left( \sqrt{1-b} \right) \right], \quad 0 < b < 1, $$

donde $K(k)$ es el integral elíptica completa del primer tipo .

Answer 3

Aunque no es tan simple como la respuesta de nospoon, aquí hay otro enfoque para la primera.

Para $s>0$ ,

$$ \begin{align} \int_{0}^{\infty} \frac{1}{\cosh^{s}(x)} \, dx &= 2^{s} \int_{0}^{\infty} \frac{1}{(e^{x}+e^{-x})^{s}} \\ &= 2^{s} \int_{0}^{1} \frac{1}{(u^{-1}+u)^{s}} \, \frac{du}{u} \\ &= 2^{s} \int_{0}^{1} \frac{u^{s-1}}{(u^{2}+1)^{s}} \, du \\ &= 2^{s} \int_{0}^{1} \frac{(\sqrt{v})^{s-1}}{(v+1)^{s}} \, \frac{dv}{2 \sqrt{v}} \\ &=2^{s-1} \int_{0}^{1} \frac{v^{s/2-1}}{(v+1)^{s}} \, dv \\ &=2^{s-1} \, B \left(\frac{s}{2}, 1 \right) \, _2F_1 \left(s,\frac{s}{2}; 1+ \frac{s}{2}; -1 \right) \tag{1}\\ &=2^{s-1} \, B \left(\frac{s}{2}, 1 \right) \frac{\Gamma \left(1+ \frac{s}{2} \right) \Gamma \left(1+ \frac{s}{2} \right)}{\Gamma \left(1+s \right) \Gamma\left(1 \right)} \tag{2} \\ &= 2^{s-1} \, \Gamma \left(\frac{s}{2} \right) \frac{\Gamma \left(1+ \frac{s}{2} \right)}{\Gamma(1+s)} \\ &= \frac{\sqrt{\pi}}{2} \frac{ \Gamma (\frac{s}{2})}{\Gamma(\frac{1}{2}+ \frac{s}{2})} \tag{3} \end{align}$$

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$(1)$ Representación integral de Euler de la función hipergeométrica gaussiana

$(2)$ Teorema de Kummer

$(3)$ Fórmula de duplicación de la función gamma