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De forma cerrada de $\int_0^1 \operatorname{Li}_3\left(1-x^2\right) dx$

Mediante el uso de dilogarithm las ecuaciones funcionales podemos demostrar que $$ \int_0^1 \operatorname{Li}_2\left(1-x^2\right)\,dx = \frac{\pi^2}{2}-4, $$ donde $\operatorname{Li}_2$ es el dilogarithm función.

Podemos evaluar en forma cerrada de la siguiente integral?

$$ I = \int_0^1 \operatorname{Li}_3\left(1-x^2\right)\,dx, $$

donde $\operatorname{Li}_3$ es el trilogarithm función.

Una relativa integral con conocidos de forma cerrada, es $$\int_0^1 \operatorname{Li}_3\left(\frac{1}{x^2}\right)\,dx = \zeta(3)+\frac{\pi^2}{3}-8\ln2 - 4\pi\,i,$$ donde $\zeta$ es la de Riemann zeta función.

14voto

nospoon Puntos 1966

Ampliando mi comentario: la sustitución de $1-x^2\mapsto x$, seguido por la expansión de la trilogarithm y teniendo en cuenta Legrende la duplicación fórmula $B(n+1,\frac12)=2^{2n+1}B(n+1,n+1)$, llegamos a $$I=\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2^{2n}}{n^3(2n+1)\binom{2n}{n}}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{2^{2n}}{n^3\binom{2n}{n}}-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{2^{2n+1}}{n^2(2n+1)\binom{2n}{n}}\\=4\int_0^1\frac{\arcsin^2x}{x}\,dx-4\int_0^1\arcsin^2x \,dx$$ donde he utilizado el hecho de que $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(2x)^{2n}}{n^2\binom{2n}{n}}=2\arcsin^2x$.

La segunda integral es fácilmente evaluados por IBP dos veces: $$\int_0^1\arcsin^2x \,dx=\int_0^{\frac{\pi}{2}}x^2\cos x \,dx=\frac{\pi^2}{4}-2$$

La primera integral se puede evaluar por el IBP y el uso de ese$\displaystyle -\ln\sin x=\ln2+\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\cos(2nx)}{n}$: $$\begin{align} \int_0^1\frac{\arcsin^2x}{x}\,dx\\&=\int_0^{\frac{\pi}{2}}x^2\cot x \,dx\\&=-2\int_0^{\frac{\pi}{2}}x\ln\sin x \,dx\\ &=2\int_0^{\frac{\pi}{2}}x\left(\ln2+\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\cos(2nx)}{n}\right)\,dx\\&=\frac{\pi^2}{4}\ln2+2\sum_{n=1}^{\infty}\frac1{n}\int_0^{\frac{\pi}{2}}x\cos(2nx)\,dx\\&=\frac{\pi^2}{4}\ln2+2\sum_{n=1}^{\infty}\frac1{n}\frac1{4n^2}((-1)^n-1)\\&=\frac{\pi^2}{4}\ln2-\frac{7}{8}\zeta(3). \end{align}$$

9voto

Roger Hoover Puntos 56

Para demostrar L. G. resultado, sólo se debe aplicar dos veces integración por partes, luego de demostrar a través de su técnica predilecta (por ejemplo, la diferenciación bajo el signo integral y el cálculo de algunos de los derivados de una función Beta) que: $$I_0=\int_{0}^{1}x^2 \log(x)\,\frac{dx}{1-x^2}=1-\frac{\pi^2}{8}, $$ $$I_{-}=\int_{0}^{1}x \log(x)\log(1-x)\,\frac{dx}{1-x^2}=\frac{\pi^2\log(4)-5\zeta(3)}{16}, $$ $$I_{+}=\int_{0}^{1}x \log(x)\log(1+x)\,\frac{dx}{1-x^2}=\frac{-\pi^2\log(4)+9\zeta(3)}{16}. $$ Más detalles por venir si quería. Tiempo para ir a la cama para mí.

6voto

Dennis Puntos 9534

$$-\frac72\zeta\left(3\right)+\pi^2\left(\ln 2-1\right)+8$$

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