25 votos

Integral de la ${\large\int}_0^{\pi/2}\arctan^2\!\left(\frac{\sin x}{\sqrt3+\cos x}\right)dx$

Necesito para evaluar esta integral: $$I=\int_0^{\pi/2}\arctan^2\!\left(\frac{\sin x}{\sqrt3+\cos x}\right)dx$$ Maple y Mathematica no se puede evaluar en este formulario. Su valor numérico es $$I\approx0.156371391375711701230837603266631522020409597791339398428...$$ que no es reconocido por WolframAlpha y a la Inversa Simbólico de la Calculadora+.

Es posible evaluar esta integral en forma cerrada?

He encontrado preguntas similares aquí, aquí y aquí, pero los enfoques que se muestra en las respuestas no parecen ser directamente aplicable aquí.

62voto

Shiv Puntos 3971

$$I=\frac\pi{20}\ln^23+\frac\pi4\operatorname{Li_2}\left(\tfrac13\right)-\frac15\operatorname{Ti}_3\left(\sqrt3\right),$$ donde $$\operatorname{Ti}_3\left(\sqrt3\right)=\Im\Big[\operatorname{Li}_3\left(i\sqrt3\right)\Big]=\frac{\sqrt3}8\Phi\left(-3,3,\tfrac12\right)=\frac{5\sqrt3}4\,{_4F_3}\!\left(\begin{array}c\tfrac12,\tfrac12,\tfrac12,\tfrac12\\\tfrac32,\tfrac32,\tfrac32\end{array}\middle|\tfrac34\right)-\frac{5\pi^3}{432}-\frac\pi{16}\ln^23.$$

27voto

Roger Hoover Puntos 56

Con el mismo enfoque que tomó en esta respuesta, tenemos:

$$\begin{eqnarray*}\arctan\left(\frac{\sin x}{\sqrt{3}+\cos x}\right) &=& \text{Im}\log\left(\sqrt{3}+e^{ix}\right)\\&=&\text{Im}\sum_{n\geq 1}\frac{(-1)^{n+1}}{n\sqrt{3}^n}\,e^{inx}\\&=&\sum_{n\geq 1}\frac{(-1)^{n+1}}{n\sqrt{3}^n}\,\sin(nx)\tag{1}\end{eqnarray*} $$ y mediante el cálculo de $\int_{0}^{\pi/2}\sin(nx)\sin(mx)\,dx$ se sigue que: $$\begin{eqnarray*}I&=&\int_{0}^{\pi/2}\arctan^2\left(\frac{\sin x}{\sqrt{3}+\cos x}\right)\,dx\\&=&\frac{\pi}{4}\,\text{Li}_2\left(\frac{1}{3}\right)+\sum_{m\neq n}\frac{(-1)^{n+m}}{nm\sqrt{3}^{n+m}}\int_{0}^{\pi/2}\sin(nx)\sin(mx)\,dx\tag{2}\end{eqnarray*}$$ pero la última integral es cero si $n$ $m$ tienen la misma paridad.

De ello se desprende que el último de la serie en $(2)$ puede ser escrita como:

$$\begin{eqnarray*}-\sqrt{3}\sum_{a\geq 1}\sum_{b\geq 1}\frac{1}{(2b-1)3^{a+b}}\cdot\frac{(-1)^{a+b}}{(2a)^2-(2b-1)^2}\tag{3}\end{eqnarray*}$$ y por indexar el último doble de la serie en $a+b=s$ obtenemos:

$$\begin{eqnarray*}-\sqrt{3}\sum_{s\geq 2}\frac{(-1)^s}{3^s}\sum_{b=1}^{s-1}\frac{1}{2b-1}\cdot\frac{1}{(2s-2b)^2-(2b-1)^2}\tag{3}\end{eqnarray*}$$ que pueden ser tratados a través de la fracción parcial de la descomposición y dilogarithm identidades.

i-Ciencias.com

I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.

Powered by:

X