Puedo saber cómo esta integral se evaluó utilizando la función hipergeométrica? $$\int \sin^n x\ dx$$
Wolframalpha mostró este resultado, pero no con los pasos
Gracias de antemano.
Respuesta
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Asumiendo $n$ es un entero no negativo, podría usar el teorema del binomio: $$\begin{eqnarray} \sin^n(x) &=& \left( \frac{\exp(i x) - \exp(-i x)}{2i}\right)^n = \frac{1}{2^n i^n} \sum_{m=0}^n \binom{n}{m} (-1)^m \exp\left( i \left(n-2m\right)x \right) \\ &=& \frac{1}{2^n i^n} \sum_{m=0}^n \binom{n}{m} (-1)^m \left(\cos\left(\left(n-2m\right)x \right) + i \sin\left( \left(n-2m\right)x \right) \right) \end{eqnarray} $$ Desde el lado izquierdo es real solo mantenemos los cosenos para, incluso,$n$: $$\begin{eqnarray} \sin^{2n}(x) &=& \frac{1}{2^{2n}} \sum_{m=0}^{2n} \binom{2n}{m}\left(-1\right)^{n-m} \cos\left(\left(2n-2m\right)x\right) \\ &\stackrel{\text{symmetry}}{=}& \frac{1}{2^{2n}} \binom{2n}{n} + \frac{1}{2^{2n-1}} \sum_{m=0}^{n-1} \binom{2n}{m}\left(-1\right)^{n-m} \cos\left(2 \left(n-m\right)x\right) \\ &\stackrel{m\to n-m} =& \frac{1}{2^{2n}} \binom{2n}{n} + \frac{1}{2^{2n-1}} \sum_{m=1}^n \binom{2n}{n+m} (-1)^n \cos(2 m x) \tag{1} \end{eqnarray}$$ y, del mismo modo, sólo los senos por extraño $n$: $$ \sin^{2n+1}(x) = \frac{1}{2^{2n}} \sum_{m=0}^n \binom{2n+1}{n+1+m} (-1)^m \sin\left((2m+1)x\right) \etiqueta{2} $$ Ahora podemos integrar elemento sabio: $$ \int \sin^{2n}(x) \, \mathrm{d}x = \frac{1}{2^{2n}} \binom{2n}{n} x + \frac{1}{2^{2n-1}} \sum_{m=1}^n \binom{2n}{n+m} (-1)^n \frac{\sin(2 m x)}{2m} + \text{const.} $$ $$ \int \sin^{2n+1}(x) \, \mathrm{d}x = -\frac{1}{2^{2n}} \sum_{m=0}^n \binom{2n+1}{n+1+m} (-1)^m \frac{\cos\left((2m+1)x\right)}{2m+1} + \text{const.} $$
Para obtener una función hipergeométrica, vamos a $u = \sin(x)$. Entonces $$ \int \sin^n(x)\, \mathrm{d}x = \int \frac{u^n}{\sqrt{1-u^2}} \mathrm{d}u $$ Ahora ver esta respuesta de la mina sobre cómo encontrar la anti-derivada de $\int u^a (1-u)^b \mathrm{d} u$. Aplicando los mismos principios, podemos encontrar: $$ \int \frac{u^n}{\sqrt{1-u^2}} \mathrm{d}u =\int u^n \cdot {}_1F_0\left(\left.\begin{array}{c} \frac{1}{2} \\ - \end{array} \right| u^2 \right) \mathrm{d} u = \int \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}u} \left( \frac{u^{n+1}}{n+1} \cdot {}_2F_1\left(\left.\begin{array}{cc} \frac{1}{2} & \frac{n+1}{2} \\ & \frac{n+3}{2} \end{array} \right| u^2 \right) \right) \mathrm{d} u $$ Por lo tanto, tenemos: $$ \int \sin^n(x) \, \mathrm{d}x = \frac{\sin^{n+1}(x)}{n+1} \cdot {}_2F_1\left(\left.\begin{array}{cc} \frac{1}{2} & \frac{n+1}{2} \\ & \frac{n+3}{2} \end{array} \right| \sin^2(x) \right) + \text{const.} \etiqueta{3} $$ Esto funciona donde $u = \sin(x)$ es invertible. Para extender la validez de la respuesta, la diferencian. Nos gustaría obtener $$ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \frac{\sin^{n+1}(x)}{n+1} \cdot {}_2F_1\left(\left.\begin{array}{cc} \frac{1}{2} & \frac{n+1}{2} \\ & \frac{n+3}{2} \end{array} \right| \sin^2(x) \right) \right) = \frac{\sqrt{\cos^2(x)}}{\cos(x)} \sin^{n} (x) $$ y desde la pre-factor de $\frac{\sqrt{\cos^2(x)}}{\cos(x)}$ es un diferencial constante, es decir, su derivada es cero, llegamos a: $$ \int \sin^n(x) \, \mathrm{d}x = \frac{\cos(x)}{\sqrt{\cos^2(x)}} \frac{\sin^{n+1}(x)}{n+1} \cdot {}_2F_1\left(\left.\begin{array}{cc} \frac{1}{2} & \frac{n+1}{2} \\ & \frac{n+3}{2} \end{array} \right| \sin^2(x) \right) + \text{const.} \etiqueta{4} $$ Esto puede estar relacionado con la respuesta proporcionada por Wolfram|Alpha, y por lo tanto por Mathematica, el uso de Kummer de las relaciones.
