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Integrales 3.384 de Gradshteyn y Ryzhik

Estoy interesado en la comprensión de la computación de

$$\int_{-\infty}^\infty\frac{e^{-ip x}}{(1 + ix)^{2u}(1-ix)^{2v}}\mathrm{d}x,$$

lo que se evalúa en 3.384.9 de Gradshteyn y Rhysik para suficientemente grande $u, v$

$$(2\pi) 2^{-u-v} \frac{p^{u+v-1}}{\Gamma(2v)}W_{v-u, \frac 12 - v - u}(2p).$$

(Estoy bastante seguro de que no me lío a mi transcripción de eso). La referencia dada en Gradshteyn y Rhysik es Erdelyi de la Tabla de Integrales, tomo I, pg 119 ecuación 12 (en realidad, mi copia de Gradshteyn y Rhysik tiene un error y dice que la pagina 19 ecuación 12 - así nos va). Pero en Erdelyi de la Mesa, no hay pruebas ni referencias.

Por $W$, me refiero a Whittaker $W$ función. Ya no sé bien la más conveniente caracterización de dar, ya no sé cómo hacer esta integral (todavía), yo podría ser engañosa. Pero creo que lo conveniente caracterización será

$$ W_{\lambda, \mu}(z) = \frac{z^{\mu + \frac 12} e^{-z/2}}{\Gamma(\mu - \lambda + \frac 12)} \int_0^\infty t^{\mu - \lambda - \frac 12}e^{-t}\left(1 + \frac{t}{z}\right)^{\mu + \lambda - \frac 12} \mathrm{d}t,$$

para la parte real de $\mu - \lambda > -\frac 12$$|\arg z| < \pi$.

¿Sabes cómo calcular esta integral, o, alternativamente, tener una referencia para ti?

4voto

Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\+}{^{\daga}} \newcommand{\ángulos}[1]{\left\langle\, nº 1 \,\right\rangle} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\, nº 1 \,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\, nº 1 \,\right\rbrack} \newcommand{\ceil}[1]{\,\left\lceil\, nº 1 \,\right\rceil\,} \newcommand{\dd}{{\rm d}} \newcommand{\down}{\downarrow} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,{\rm e}^{#1}\,} \newcommand{\fermi}{\,{\rm f}} \newcommand{\piso}[1]{\,\left\lfloor #1 \right\rfloor\,} \newcommand{\mitad}{{1 \over 2}} \newcommand{\ic}{{\rm i}} \newcommand{\iff}{\Longleftrightarrow} \newcommand{\imp}{\Longrightarrow} \newcommand{\isdiv}{\,\left.\a la derecha\vert\,} \newcommand{\cy}[1]{\left\vert #1\right\rangle} \newcommand{\ol}[1]{\overline{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left (\, nº 1 \,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\pp}{{\cal P}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\vphantom{\large Un}\,#2\,}\,} \newcommand{\sech}{\,{\rm sech}} \newcommand{\sgn}{\,{\rm sgn}} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{{\rm d}^{#1} #2}{{\rm d} #3^{#1}}} \newcommand{\ul}[1]{\underline{#1}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\, nº 1 \,\right\vert} \newcommand{\wt}[1]{\widetilde{#1}}$ $\ds{\int_{-\infty}^{\infty} {\expo{-\ic px} \over \pars{1 + \ic x}^{2\mu}\pars{1 - \ic x}^{2\nu}}\,\dd x: \ {\large ?}}$

Con $\ds{t \equiv -\ic x\quad\imp\quad x = \ic t}$: \begin{align}&\color{#c00000}{\int_{-\infty}^{\infty} {\expo{-\ic px} \over \pars{1 + \ic x}^{2\mu}\pars{1 - \ic x}^{2\nu}}\,\dd x} =-\ic\int_{-\infty\ic}^{\infty\ic} {\expo{pt} \over \pars{1 - t}^{2\mu}\pars{1 + t}^{2\nu}}\,\dd t \end{align} Ahora, parece que 'de alguna manera' relacionadas con transformadas de Laplace y vamos a tomar ventaja de ese hecho: Si $\ds{p < 0}$ vamos a cerrar la integral con un contorno 'a la derecha' $\ds{\pars{~\Re\pars{t} > 0~}}$ e 'a la izquierda' $\ds{\pars{~\Re\pars{t} < 0~}}$ al $\ds{p > 0}$. En ambos casos hemos de tener en cuenta los cortes de ramas del denominador.

Sin embargo, en el cambio de $\ds{p \to -p}$ la integral es simétrica con el intercambio de $\ds{\mu}$ $\ds{\nu}$ tales que necesitamos performe la integración de sólo uno de los casos mencionados más arriba.

Vamos a realizar el cálculo de al $\ds{\large p > 0}$: \begin{align}&\color{#c00000}{\int_{-\infty}^{\infty} {\expo{-\ic px} \over \pars{1 + \ic x}^{2\mu}\pars{1 - \ic x}^{2\nu}}\,\dd x} \\[3mm]&=\ic\int_{-\infty}^{-1} {\expo{pt} \over \pars{1 - t}^{2\mu}\verts{1 + t}^{2\nu}\expo{2\pi\nu\ic}}\,\dd t +\ic\int_{-1}^{-\infty} {\expo{pt} \over \pars{1 - t}^{2\mu}\verts{1 + t}^{2\nu}\expo{-2\pi\nu\ic}}\,\dd t \\[3mm]&=\ic\expo{-2\pi\nu\ic}\int_{1}^{\infty} {\expo{-pt} \over \pars{1 + t}^{2\mu}\pars{t - 1}^{2\nu}}\,\dd t -\ic\expo{2\pi\nu\ic}\int_{1}^{\infty} {\expo{-pt} \over \pars{1 + t}^{2\mu}\pars{t - 1}^{2\nu}}\,\dd t \\[3mm]&=2\sin\pars{2\pi\nu}\int_{1}^{\infty} {\expo{-pt} \over \pars{1 + t}^{2\mu}\pars{t - 1}^{2\nu}}\,\dd t \\[3mm]&=2\sin\pars{2\pi\nu}\expo{-p}2^{-2\mu}\int_{0}^{\infty} t^{-2\nu}\expo{-pt}\pars{1 + {t \over 2}}^{-2\mu}\,\dd t \\[3mm]&=2\sin\pars{2\pi\nu}\expo{-p}2^{-2\mu}\int_{0}^{\infty} p^{2\nu}\pars{pt}^{-2\nu}\expo{-pt}\pars{1 + {pt \over 2p}}^{-2\mu} \,{p\,\dd t \over p} \\[3mm]&=\color{#44f}{\large% 2^{1 - 2\nu}\sin\pars{2\pi\nu}\expo{-p}p^{2\nu - 1}\int_{0}^{\infty} t^{-2\nu}\expo{-t}\pars{1 + {t \over 2p}}^{-2\mu}\,\dd t} \end{align}

$\tt\mbox{En este punto, supongo que el OP es capaz de ver el relación a la Whittaker}$ $\tt\mbox{función !!!.}$

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