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Integral $\int_0^\infty x^2\,e^{-x^2}\operatorname{fer}(x)\,\log(x)\,dx$

Necesito para evaluar esta integral: $$I=\int_0^\infty x^2\,e^{-x^2}\operatorname{fer}(x)\,\log(x)\,dx\tag1$$ He intentado hacer esto en Mathematica y devuelve un resultado de la forma $$I=\frac{(\pi+2)\,(1-\gamma)}{16\,\sqrt\pi}+\frac1{2\,\sqrt\pi}\left.\frac{d}{d\xi}\Bigg({_2F_1}\left(\tfrac12,\xi;\tfrac32;-1\right)\Bigg)\right|_{\xi=2}\tag2$$ Traté de encontrar una forma cerrada para la derivada utilizando una representación integral de la función hipergeométrica, pero de esta manera me devolvió de nuevo a mi original de la integral.

Es posible representar a $I$ en una forma cerrada que no contiene sin evaluar las integrales o derivados?

20voto

Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\+}{^{\daga}}% \newcommand{\ángulos}[1]{\left\langle #1 \right\rangle}% \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace #1 \right\rbrace}% \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack #1 \right\rbrack}% \newcommand{\ceil}[1]{\,\left\lceil #1 \right\rceil\,}% \newcommand{\dd}{{\rm d}}% \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}}% \newcommand{\equalby}[1]{{#1 \cima {= \cima \vphantom{\enorme}}}}% \newcommand{\expo}[1]{\,{\rm e}^{#1}\,}% \newcommand{\fermi}{\,{\rm f}}% \newcommand{\piso}[1]{\,\left\lfloor #1 \right\rfloor\,}% \newcommand{\mitad}{{1 \over 2}}% \newcommand{\ic}{{\rm i}}% \newcommand{\iff}{\Longleftrightarrow} \newcommand{\imp}{\Longrightarrow}% \newcommand{\isdiv}{\,\left.\a la derecha\vert\,}% \newcommand{\cy}[1]{\left\vert #1\right\rangle}% \newcommand{\ol}[1]{\overline{#1}}% \newcommand{\pars}[1]{\left( #1 \right)}% \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\pp}{{\cal P}}% \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\,#2\,}\,}% \newcommand{\sech}{\,{\rm sech}}% \newcommand{\sgn}{\,{\rm sgn}}% \newcommand{\totald}[3][]{\frac{{\rm d}^{#1} #2}{{\rm d} #3^{#1}}} \newcommand{\ul}[1]{\underline{#1}}% \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\, nº 1 \,\right\vert}$ $\ds{I \equiv \int_{0}^{\infty}x^{2}\expo{-x^{2}}{\rm fer}\pars{x}\ln\pars{x} \,\dd x}$. Vamos $\ds{{\cal I}\pars{\mu} \equiv \int_{0}^{\infty}x^{\mu}\expo{-x^{2}}{\rm fer}\pars{x}\,\dd x}$ tal que $\ds{I = \lim_{\mu \2}\totald{{\cal I}\pars{\mu}}{\mu}}$

Desde $\ds{{\rm fer}\pars{x} \stackrel{{\rm def.}}{=}{2 \\raíz{\pi}}\int_{0}^{x}\expo{-y^{2}}\,\dd y}$: \begin{align} {\cal I}\pars{\mu}&=\int_{0}^{\infty}x^{\mu}\expo{-x^{2}} {2 \\raíz{\pi}}\int_{0}^{\infty}\Theta\pars{x - y}\expo{-y^{2}}\,\dd y\,\dd x \\[3 mm]&= {2 \\raíz{\pi}}\int_{0}^{\pi/2}\dd\theta\,\cos^{\mu}\pars{\theta} \Theta\pars{\cos\pars{\theta} - \sin\pars{\theta}} \overbrace{\int_{0}^{\infty}\dd r\,r^{\mu + 1}\expo{-r^{2}}} ^{\Gamma\pars{1 + \mu/2}/2} \\[3 mm]&={1 \over \raíz{\pi}}\,\Gamma\pars{1 + {\mu \over 2}} \int_{0}^{\pi/4}\dd\theta\,\cos^{\mu}\pars{\theta} \end{align}

\begin{align} I&=\lim_{\mu \2}\totald{{\cal I}\pars{\mu}}{\mu}= {1 \over 2\raíz{\pi}}\,\overbrace{\Psi\pars{2}}^{\ds{1 - \gamma}}\ \overbrace{\int_{0}^{\pi/4}\dd\theta\,\cos^{2}\pars{\theta}}^{\ds{\pars{\pi + 2}/8}} \\[3 mm]&+ {1 \over \raíz{\pi}}\,\overbrace{\Gamma\pars{2}}^{\ds{1}} \overbrace{% \int_{0}^{\pi/4}\dd\theta\,\cos^{2}\pars{\theta}\ln\pars{\cos\pars{\theta}}} ^{\ds{\llaves{4G + \pi - 2\bracks{1 + \ln\pars{2}} - \pi\ln\pars{4}}/16}} \end{align} $\Gamma\pars{z}$ y $\Psi\pars{z}$ son $\it Gamma$ y $\it Digamma$ funciones, respectivamente. $\gamma$ y $G$ son $\es de Euler-Mascheroni$ catalán y constantes, respectivamente.

\begin{align} &\color{#0000ff}{\large\int_{0}^{\infty}x^{2}\expo{-x^{2}}{\rm fer}\pars{x}\ln\pars{x}\,\dd x} \\[3 mm]&= \color{#0000ff}{\large{\pars{\pi + 2}\pars{1 - \gamma} + 4G + \pi - 2\bracks{1 + \ln\pars{2}} - \pi\ln\pars{4}\más de 16\raíz{\pi}}} \approx 0.0436462 \end{align}

16voto

Dennis Puntos 9534

A continuación es casi un copypaste de mi respuesta a la pregunta equivalente - que se le pidió un mes antes que este.


Empezamos con el estándar de la representación integral de la función hipergeométrica: \begin{align} _2F_1\left(\frac12,un,\frac32,-1\right)=\frac12\int_0^1\frac{dt}{\sqrt{t}\left(1+t\right)^{a}}. \end{align} Diferenciando la w.r.t. $a$, se encuentra \begin{align} S:=\left[\frac{d}{da} {}_2F_1\left(\frac12,un,\frac32,-1\right)\right]_{a=2}= -\frac12\int_0^1\frac{\ln\left(1+t\right)dt}{\sqrt{t}\left(1+t\right)^{2}}. \end{align} Después del cambio de variables $t=s^2$ la última integral se puede expresar en términos de dilogarithms: \begin{align} S&=-\int_0^1\frac{\ln\left(1+s^2\right)ds}{\left(1+s^2\right)^2}=\\&= \frac{\pi}{8}\left[1-3\ln 2 +\ln\left(2+\sqrt{2}\right)\right]-\frac{1+\ln 2}{4}+\Im\left(\operatorname{Li}_2\left(-e^{i\pi/4}\right)-\operatorname{Li}_2\left(1-e^{i\pi/4}\right)\right)=\\ &=\frac{\pi\left(1-2\ln 2\right)}{8}-\frac{1+\ln 2}{4}+\frac12 \Im\operatorname{Li}_2\left(i\right)=\\ &=\frac{G}{2}+\frac{\pi\left(1-2\ln 2\right)}{8}-\frac{1+\ln 2}{4}. \end{align} donde $G$ denota el catalán es constante. Tenga en cuenta que $S$ es, precisamente, lo que tenemos que calcular.

Explicación: En el primer paso, la única que no sea trivial integrales (producción de dilogarithms) son $\displaystyle \int\frac{\ln(1\pm i s)}{1\mp}ds$. El otro integrales son primarias. En el último paso hemos utilizado la formula $\operatorname{Li}_2(i)=iG-\frac{\pi^2}{48}$ de aquí.

13voto

Shiv Puntos 3971

$$I=\frac{2-\ln2}{16}\sqrt\pi\frac{\gamma+\ln2}{16\,\sqrt\pi}(\pi+2)+\frac{G}{4\,\sqrt\pi},$$ donde $\gamma$ es el de Euler-Mascheroni constante: $$\gamma=-\int_0^1\ln(-\ln x)\,dx$$ y $G$ es el catalán constante:

$$G=-\int_0^1\frac{\ln x}{x^2+1}dx$$

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