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Integral de la $I=\int_0^\infty \frac{e^{\alpha x}-e^{\beta x}}{x(e^{\alpha x}+1)(e^{\beta x}+1)}dx, \ \ \alpha>\beta>0. $

$$ I(\alpha,\beta)=\int_0^\infty \frac{e^{\alpha x}-e^{\beta x}}{x(e^{\alpha x}+1)(e^{\beta x}+1)}dx, \ \ \alpha>\beta>0. $$ Estoy tratando de resolver esta integral. Esto es de la vieja escuela de alto días en Bulgaria, aunque no puedo encontrar las soluciones más. Gracias

9voto

Argo Puntos 161

Dividir el integrando:

$$\frac{e^{\alpha x}-e^{\beta x}} {e^{\alpha x}+1)(e^{\beta x}+1)}= \frac{1} {e^{\beta x}+1)}-\frac{1} {e^{\alpha x}+1)}$$

Reconocer esto como una integral de una función, evaluados en los límites de $\alpha$$\beta$. Qué función? Así, tomar la derivada de más de $\beta$ saber:

$$\frac{d}{dy}\left(\frac{1}{x}\frac{1}{(e^{y x}+1)}\right)=-\frac{e^{xy}}{(e^{y x}+1)^2}$$

Su integral se convierte en

$$I=\int_0^\infty\int_{\beta}^\alpha \frac{e^{xy} dy\,dx}{(e^{xy}+1)^2}$$

Intercambiar el orden de integración:

$$I=\int_{\beta}^\alpha\int_0^\infty \frac{e^{xy} dx\,dy}{(e^{xy}+1)^2}$$

El interior de la integral $$\int_0^\infty \frac{e^{xy} dx}{(e^{xy}+1)^2}$$ Se convierte en $$\frac{1}{y}\int_0^\infty \frac{e^{u} du}{(e^{u}+1)^2}$$ El uso de $v=e^u+1$: $$\frac{1}{y}\int_2^\infty \frac{dv}{v^2}=\frac12\frac{1}{y}$$

Ahora el exterior de la integral es trivial:

$$I=\frac12\int_{\beta}^\alpha \frac{dy}{y}=\frac12\ln\frac{\alpha}{\beta}$$

2voto

Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\+}{^{\daga}} \newcommand{\ángulos}[1]{\left\langle\, nº 1 \,\right\rangle} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\, nº 1 \,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\, nº 1 \,\right\rbrack} \newcommand{\ceil}[1]{\,\left\lceil\, nº 1 \,\right\rceil\,} \newcommand{\dd}{{\rm d}} \newcommand{\down}{\downarrow} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,{\rm e}^{#1}\,} \newcommand{\fermi}{\,{\rm f}} \newcommand{\piso}[1]{\,\left\lfloor #1 \right\rfloor\,} \newcommand{\mitad}{{1 \over 2}} \newcommand{\ic}{{\rm i}} \newcommand{\iff}{\Longleftrightarrow} \newcommand{\imp}{\Longrightarrow} \newcommand{\isdiv}{\,\left.\a la derecha\vert\,} \newcommand{\cy}[1]{\left\vert #1\right\rangle} \newcommand{\ol}[1]{\overline{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left (\, nº 1 \,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\pp}{{\cal P}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\vphantom{\large Un}\,#2\,}\,} \newcommand{\sech}{\,{\rm sech}} \newcommand{\sgn}{\,{\rm sgn}} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{{\rm d}^{#1} #2}{{\rm d} #3^{#1}}} \newcommand{\ul}[1]{\underline{#1}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\, nº 1 \,\right\vert} \newcommand{\wt}[1]{\widetilde{#1}}$ $\ds{{\rm I}\pars{\alpha,\beta} =\int_{0}^{\infty}{\expo{\alpha x} -\expo{\beta x} \over x\pars{\expo{\alpha x} + 1}\pars{\expo{\beta x} + 1}}\,\dd x:\ {\large ?}\,, \qquad \alpha > \beta > 0}$.

\begin{align} \color{#00f}{\large{\rm I}\pars{\alpha,\beta}}&=\int_{0}^{\infty} \pars{{1 \over \expo{\beta x} + 1} - {1 \over \expo{\alpha x} + 1}}\,{\dd x \over x} \\[3mm]&= \int_{0}^{\infty}\braces{\half\bracks{1 - \tanh\pars{\beta x \over 2}} - \half\bracks{1 - \tanh\pars{\alpha x \over 2}}}\,{\dd x \over x} \\[3mm]&=\lim_{\Lambda \to \infty}\braces{% \int_{0}^{\Lambda}\half\bracks{1 - \tanh\pars{\beta x \over 2}}\,{\dd x \over x} - \int_{0}^{\Lambda}\half\bracks{1 - \tanh\pars{\alpha x \over 2}}\,{\dd x \over x}} \\[3mm]&=\half\lim_{\Lambda \to\infty}\bracks{% \int_{0}^{\Lambda}\tanh\pars{\alpha x \over 2}\,{\dd x \over x} -\int_{0}^{\Lambda}\tanh\pars{\beta x \over 2}\,{\dd x \over x}} \\[3mm]&=\half\lim_{\Lambda \to\infty}\bracks{% \int_{0}^{\alpha\Lambda/2}{\tanh\pars{x} \over x}\,\dd x -\int_{0}^{\beta\Lambda/2}{\tanh\pars{x} \over x}\,\dd x} \\[3mm]&=\half\lim_{\Lambda \to\infty}\left\lbrace% \bracks{\ln\pars{\alpha\Lambda \over 2}\tanh\pars{\alpha\Lambda \over 2} -\int_{0}^{\alpha\Lambda/2}\ln\pars{x}\sech^{2}\pars{x}\,\dd x}\right. \\[3mm]&\left.\phantom{\half\lim_{\Lambda \to\infty}\left\lbrace\right.} \mbox{}-\bracks{\ln\pars{\beta\Lambda \over 2}\tanh\pars{\beta\Lambda \over 2} -\int_{0}^{\beta\Lambda/2}\ln\pars{x}\sech^{2}\pars{x}\,\dd x}\right\rbrace \\[3mm]&=\half\lim_{\Lambda \to \infty}\bracks{% \ln\pars{\alpha\Lambda \over 2} - \ln\pars{\beta\Lambda \over 2}} =\color{#00f}{\large\half\ln\pars{\alpha \over \beta}} \end{align}

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