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Demostrar $\int_0^{\pi/2}x^2\sqrt{\cot x} \ dx=\frac{\sqrt2}{8}\left( \frac{5\pi^{3}}{12}-\pi^2\ln2-\pi \ln^22 \right)$

Me llegó a través de la siguiente integral: $$\int_0^{\pi/2}x^2\sqrt{\cot x} \ dx=\frac{\sqrt2}{8}\left( \frac{5\pi^{3}}{12}-\pi^2\ln2-\pi \ln^22 \right)$$ Yo trate de hacerlo como los siguientes:

Considere la posibilidad de $$I(a,b)=\int_0^{\pi} \frac{\cos ax}{\sin^b x}\ dx=2\int_0^{\pi/2} \frac{\cos 2ax}{\sin^b 2x}\ dx$$ Entonces $$I''(a,b)=-8\int_0^{\pi/2}x^2 \frac{\cos 2ax}{\sin^b 2x}\ dx$$ Deje $a=1/2,b=1/2$ $$I''(1/2,1/2)=-8\int_0^{\pi/2}x^2 \frac{\cos x}{\sqrt{\sin 2x}}\ dx=-\frac{8}{\sqrt2}\int_0^{\pi/2}x^2\sqrt{\cot x} \ dx $$ De vuelta a $I(a,b),\quad I(a,b) $puede ser expresado por la beta fuction por Wolfram Mathematica. $$I(a,b)=\int_0^{\pi} \frac{\cos ax}{\sin^b x}\ dx=\frac{\pi \cdot 2^b\cdot\cos (\pi a/2)\cdot \Gamma(1-b) }{\Gamma(a/2-b/2+1) \cdot \Gamma(-a/2-b/2+1)} dx$$ A continuación, podemos obtener $I''(a,b)$ enfoque de otra manera. Por último,podemos obtener $\int_0^{\pi/2}x^2\sqrt{\cot x} \ dx$,pero me parece un poco complejo.

Para un similar integral: $$\int_0^{\pi/2}x\cdot\tan^p x \ dx=\frac{\pi}{4\sin (p\pi/2)}\left(\Psi\left(\frac{1}{2}\right)-\Psi\left(\frac{1-p}{2}\right) \right)$$ La integral anterior se puede resolver por el método paramétrico de desarrollo.Deje $p=-\frac{1}{2}$,podemos obtener $$\int_0^{\pi/2}x\sqrt{\cot x} \ dx=\frac{\pi\left(\pi-2\ln 2\right)}{4\sqrt2}$$

Pero a este, que parece ser difícil con el método paramétrico de desarrollo. Podría usted sugerir algunas ideas de cómo probar esto?

7voto

psychotik Puntos 171

Un poco más fácil forma de $I(a, \frac{1}{2})$ es

$$I(a, \frac{1}{2}) = 2^{a-\frac{3}{2}} \beta\left(\frac{1+2a}{4}\right) (1 + \sin \pi a + \cos \pi a), $$

donde $\beta(p) = \Gamma(p)^2/\Gamma(2p)$ central es la función beta. (Esto puede ser fácilmente obtenida mediante la aplicación de Euler reflexión fórmula y la de Legendre de la duplicación de la fórmula para el OP de la representación.) Ahora a partir de la relación

$$ \frac{d}{dp} \log \beta(p) \bigg|_{p=\frac{1}{2}} = 2\psi(1/2) - 2\psi(1) = 2 \sum_{n=0}^{\infty} \left( \frac{1}{n+1} - \frac{1}{n+\frac{1}{2}} \right) = -4 \log 2 $$

y

$$ \frac{d^2}{dp^2} \log \beta(p) \bigg|_{p=\frac{1}{2}} = 2\psi^{(1)}(1/2) - 4\psi^{(1)}(1) = \frac{\pi^2}{3}, $$

podemos calcular $\frac{\partial^2 I}{\partial a^2}(\frac{1}{2}, \frac{1}{2})$ como sigue:

\begin{align*} &\frac{\partial^2 I}{\partial a^2} (1/2, 1/2) \\ &= \frac{1}{4} \beta''(1/2) - \left(\frac{\pi}{2}-\log 2\right) \beta'(1/2) - \left(\frac{\pi^2}{2} + \pi\log 2-\log^2 2\right) \beta(1/2) \\ &= \frac{1}{4} \pi \left( 16\log^2 2 + \frac{\pi^2}{3} \right) \\ &\qquad - \left(\frac{\pi}{2}-\log 2\right) (-4\pi \log 2) - \left(\frac{\pi^2}{2} + \pi\log 2-\log^2 2\right) \pi \\ &= -\left(\frac{5\pi^3}{12} - \pi^2\log2 - \pi \log^2 2 \right). \end{align*}


También estoy intentando un acercamiento más directo. Utilizando la integral de contorno, se puede comprobar que

$$ \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} x^2 \sqrt{\cot x} \, \mathrm{d}x = \frac{1}{3\sqrt{2}} \left( \frac{\pi^3}{4} - \frac{3\pi}{2} \int_{0}^{1} \frac{\operatorname{artanh}^2 t}{\sqrt{t}} \, \mathrm{d}t \right). $$

Así que estoy abordando la última integral, pero no tienen una buena noticia en este punto.

3voto

Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\ángulos}[1]{\left\langle\,{#1}\,\right\rangle} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\,{#1}\,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\,{#1}\,\right\rbrack} \newcommand{\dd}{\mathrm{d}} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,\mathrm{e}^{#1}\,} \newcommand{\mitad}{{1 \over 2}} \newcommand{\ic}{\mathrm{i}} \newcommand{\iff}{\Longleftrightarrow} \newcommand{\imp}{\Longrightarrow} \newcommand{\Li}[1]{\,\mathrm{Li}_{#1}} \newcommand{\mc}[1]{\mathcal{#1}} \newcommand{\mrm}[1]{\mathrm{#1}} \newcommand{\ol}[1]{\overline{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left(\,{#1}\,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\,{#2}\,}\,} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{\mathrm{d}^{#1} #2}{\mathrm{d} #3^{#1}}} \newcommand{\ul}[1]{\underline{#1}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\,{#1}\,\right\vert}$ Es bastante claro que el OP ha evaluado la integral $\ds{\color{#f00}{\int_{0}^{\pi/2}x^{2}\root{\cot\pars{x}}\,\dd x}}$. Sin embargo, el OP es$\texttt{still looking for a simple evaluation}$, el cual comenzará a partir de $\ds{\,\mrm{I}\pars{a,b}\ \pars{~\mbox{see below}~}}$. De aquí en adelante nos presente un "relativamente simple" evaluación de la misma.

$\ds{\mrm{I}\pars{a,b} = {\pi\,2^{b}\,\cos\pars{\pi/2}\Gamma(1 - b) \más \Gamma\pars{a/2 - b/2 + 1}\Gamma\pars{-a/2 - b/2 + 1}}\,,\qquad\Gamma\pars{\mitad} = \raíz{\pi}}$

\begin{align} \mrm{I}\pars{a,\half} & = \root{2}\pi^{3/2}\,\, {\cos\pars{\pi a/2} \over \Gamma\pars{3/4 + a/2}\Gamma\pars{3/4 - a/2}} \end{align}


Tenga en cuenta que $$ \color{#f00}{\int_{0}^{\pi/2}x^{2}\raíz{\cuna\pars{x}}\,\dd x} = -\,{\raíz{2} \más de 8}\llaves{2\bracks{\epsilon^{2}}\mrm{I}\pars{\mitad + \epsilon,\mitad}} $$ donde \begin{align} \mrm{I}\pars{\half + \epsilon,\half} & = \pi^{3/2}\,\,{\cos\pars{\pi\epsilon/2} - \sin\pars{\pi\epsilon/2} \over \Gamma\pars{1 + \epsilon/2}\Gamma\pars{1/2 - \epsilon/2}} = \pi^{3/2}\,\,{\cos\pars{\pi\epsilon/2} - \sin\pars{\pi\epsilon/2} \over \pars{\epsilon/2}!\pars{-1/2 - \epsilon/2}!} \\[5mm] & = \pi^{3/2}\,{1 \over \pars{-1/2}!}{-1/2 \choose \epsilon/2} \bracks{\cos\pars{\pi\epsilon/2} - \sin\pars{\pi\epsilon/2}} \\[5mm] & = \pi\,{-1/2 \choose \epsilon/2} \bracks{\cos\pars{\pi\epsilon \over 2} - \sin\pars{\pi\epsilon \over 2}} \end{align}

Sólo necesitamos la binomial y la 'dentro de corchetes término" expansión de la a a $\ds{\epsilon^{2}}$. El binomio de expansión, hasta el fin de $\ds{\epsilon^{2}}$, es sencillo pero laborioso: se simplifica mediante el uso de la Digamma valor $\ds{\Psi\pars{1/2} = -\gamma - 2\ln\pars{2}}$. $\ds{\gamma}$: De Euler-Mascheroni Constante.

$$ \left\{\begin{array}{rcl} \ds{-1/2 \choose \epsilon/2} & \ds{=} & \ds{1 - \ln\pars{2}\,\epsilon + \bracks{\half\,\ln^{2}\pars{2} - {\pi^{2} \over 12}}\epsilon^{2} + \,\mrm{O}\pars{\epsilon^{3}}} \\[3mm] \ds{\cos\pars{\pi\epsilon \over 2} - \sin\pars{\pi\epsilon \over 2}} & \ds{=} & \ds{1 - {\pi \over 2}\,\epsilon - {\pi^{2} \over 8}\,\epsilon^{2} + \,\mrm{O}\pars{\epsilon^{3}}} \end{array}\right. $$


\begin{align} &\color{#f00}{\int_{0}^{\pi/2}x^{2}\root{\cot\pars{x}}\,\dd x} \\[5mm] = &\ -\,{\root{2} \over 8}\,\times 2\times \pi\braces{% 1\times\pars{-\,{\pi^{2} \over 8}} + \bracks{-\ln\pars{2}}\pars{-\,{\pi \over 2}} + \bracks{\half\,\ln^{2}\pars{2} - {\pi^{2} \over 12}}\times 1} \\[5mm] & = \color{#f00}{{\root{2} \over 8}\bracks{{5\pi^{3} \over 12} - \pi^{2}\ln\pars{2} - \pi\ln^{2}\pars{2}}} \approx 0.8077 \end{align}

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