26 votos

Integral $\int_0^1\frac{\ln x}{x-1}\ln\left(1+\frac1{\ln^2x}\right)dx$

Es posible evaluar esta integral en forma cerrada? $$ I \equiv \int_{0}^{1}{\ln\left(x\right) \sobre x - 1}\, \ln\left(1 + {1 \over \ln^{2}\left(x\right)}\right)\,{\rm d}x $$ Numéricamente, $$I\approx2.18083278090426462584033339029703713513\dots$$

21voto

Chen Wang Puntos 2686

Sustituto $x=e^{-y}$:

$$ I=\int^\infty_0\frac{y}{e^y-1}\log(1+y^{-2})dy. $$

Partimos de Binet la Segunda Fórmula: \begin{align} \log\Gamma(z) y= (z-\frac12)\log z-z+\frac12\log(2\pi)+2\int^{\infty}_0\frac{\bronceado^{-1}(t/z)}{e^{2\pi t}-1}dt\\ y=(z-\frac12)\log z-z+\frac12\log(2\pi)+\frac1\pi\int^{\infty}_0\frac{\bronceado^{-1}(\frac{y}{2\pi z})}{e^{y}-1}dy \end{align}

Integrar desde $z=0$ $\frac1{2\pi}$: \begin{align} \psi^{(-2)}\left(\frac1{2\pi}\right) y= -\frac{3}{16\pi^2}+\frac{1}{4\pi}-\frac{\log(2\pi}{8\pi^2}+\frac{\log(2\pi}{2\pi} +\frac1\pi\int^{\infty}_0\frac1{e^{y}-1}\left(\frac{\tan^{-1}y}{2\pi}+\frac{y\log(1+y^{-2})}{4\pi}\right)dy\\ &=\frac{I}{4\pi^2}-\frac{3}{16\pi^2}+\frac{1}{4\pi}-\frac{\log(2\pi)}{8\pi^2}+\frac{\log(2\pi)}{2\pi}+\frac1{2\pi^2}\int^{\infty}_0\left(\frac{\tan^{-1}y}{e^{y}-1}\right)dy\\ &=\frac{I}{4\pi^2}-\frac{3}{16\pi^2}+\frac{1}{4\pi}-\frac{\log(2\pi)}{8\pi^2}+\frac{\log(2\pi)}{2\pi}+\frac1{\pi}\int^{\infty}_0\left(\frac{\tan^{-1}(2\pi t)}{e^{2\pi t}-1}\right)dt. \end{align}

Por lo tanto $$ I=4\pi^2\psi^{(-2)}\left(\frac1{2\pi}\right)+\frac{3}{4}-\pi+\frac{\log(2\pi)}{2}-2\pi\log(2\pi)-4\pi\int^{\infty}_0\left(\frac{\tan^{-1}(2\pi t)}{e^{2\pi t}-1}\right)dt.$$

Utilizamos Binet la segunda fórmula de nuevo: $$ \log\Gamma(\frac{1}{2\pi})=(\frac{1}{2\pi}-\frac12)\log \frac{1}{2\pi}-\frac{1}{2\pi}+\frac12\log(2\pi)+2\int^{\infty}_0\frac{\bronceado^{-1}(2\pi t)}{e^{2\pi t}-1}dt\\ $$

Por lo tanto $4\pi\int^{\infty}_0\frac{\bronceado^{-1}(2\pi t)}{e^{2\pi t}-1}dt=2\pi\log\Gamma(\frac{1}{2\pi})+1-(2\pi-1)\log(2\pi)$ y $$ I=4\pi^2\psi^{(-2)}\left(\frac1{2\pi}\right)-\frac{1}{4}-\pi-\frac{\log(2\pi)}{2}-2\pi\log\Gamma(\frac{1}{2\pi}).$$

También, tenemos $$ \psi^{(-2)}(z)=\frac{z}{2}\log(2\pi)+(z-1)\log\Gamma(z)-z(z-1)/2-\log G(z), $$

Por lo tanto $$ 4\pi^2\psi^{(-2)}(\frac1{2\pi})=\pi\log(2\pi)-(4\pi^2-2\pi)\log\Gamma(\frac{1}{2\pi})-\frac{1}{2}+\pi-4\pi^2\log G(\frac{1}{2\pi}) $$

Y tenemos la respuesta final $$ I=\left(\pi\frac12\right)\log(2\pi)-\frac{3}{4}-4\pi^2\left(\log\Gamma\left(\frac{1}{2\pi}\right)+\log G\left(\frac{1}{2\pi}\right)\right).$$

16voto

Shiv Puntos 3971

$$I=\left(\pi\frac12\right)\ln(2\pi)-\frac34-4\pi^2\left(\ln\Gamma\left(\frac1{2\pi}\right)+\ln G\left(\frac1{2\pi}\right)\right),$$ donde $G(z)$ denota el Barnes de la función G.

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