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Solución analítica al problema de la integral definida

Estoy tratando de resolver una ecuación, incluyendo una integral definida. Tengo una verdadera función con valores de:

$f(a,b,x) = \frac{(1-x)^a}{x}\exp(-b/x)$

Dado $a_1, b_1$$b_2$, deseo encontrar a $a_2$ a partir de la condición:

$\int_0^1 dx\ f(a_1,b_1,x) = \int_0^1 dx\ f(a_2,b_2,x)$.

Si estamos preocupados acerca de un comportamiento indefinido en $x=0$, podemos establecer $f(0) = 0$ siempre.

Mi mejor intento hasta ahora es volver a escribir la condición como:

$\int_0^1 dx\ \ln(f(a_1,b_1,x)) = \int_0^1 dx\ \ln(f(a_2,b_2,x))$, lo que me da: $a_2 = a_1 + \int_0^1 dx\ \frac{b_1 - b_2}{x}$. Que es divergente, por lo que nunca se me va a obtener un número de fuera de ella.

Yo, por supuesto, pueden resolver numéricamente, que yo de hecho ya lo hacen. Se encuentra en una rutina de optimización. Pero sería mucho más rápido si una analítica respuesta es posible.

4voto

Chip Hurst Puntos 205

Algunas ideas...

Podemos mirar en su integral como un Mellin de convolución.

El Mellin de transformación se define como

$$ \mathcal{M}\left\{f\right\}(s) = \mathcal{M}_f(s) = \int_0^\infty f(x)\,x^{s-1}dx$$

y el Mellin de convolución de dos funciones se define como

$$ (f *_{\tiny \mathcal{M}} g)(s) = \int_0^{\infty} f(x)\,g\!\left(\frac{s}{x}\right)\frac{dx}{x}. $$

En su caso, hemos $f(x) = (1-x)^a \theta(1-x)$, $g(x) = e^{-x}$, y queremos calcular $(f *_{\tiny \mathcal{M}} g)(b)$.


Una bonita propiedad de convolución es Mellin

$$ (f *_{\tiny \mathcal{M}} g)(s) = \mathcal{M}^{-1} \left\{\mathcal{M}_f(s) \mathcal{M}_g(s) \right\}(s), $$

y el uso de la tabla de aquí, tenemos

$$ \mathcal{M}_f(s)\mathcal{M}_g(s) = \frac{\Gamma(a+1)\Gamma^2(s)}{\Gamma(s+a+1)}, \quad \text{for} \;\; \text{Re}(a) > -1, \; \text{Re}(s) > 0. $$

Ahora las definiciones de la inversa de Mellin de transformar y de la Meijer G de la función, obtenemos

$$ (f *_{\tiny \mathcal{M}} g)(b) = \Gamma (a+1) G_{1,2}^{2,0}\left(b\a la izquierda| \begin{array}{c} a+1 \\ 0,0 \\ \end{array} \right.\a la derecha).$$


Podemos aplicar la segunda identidad aquí para simplificar la Meijer G y expresar su integral como

$$ \boxed{\int_0^1 dx \; f(a, b, x) = e^{-b} \Gamma (a+1) U(a+1,1,b),} $$

donde $U$ es la función hipergeométrica confluente

$$ U(\alpha, \beta, z) = \frac{1}{\Gamma(\alpha)} \int_0^{\infty } e^{-zt}t^{\alpha-1} (t+1)^{\beta-\alpha-1} dt. $$

Otras de las identidades aquí específicos $a$$b$, yo no soy consciente de que una manera de ir bajando $U(a+1,1,b)$ a algo más agradable.


Editar

Al mirar en la definición de $U(\alpha, \beta, z)$, me doy cuenta de que uno puede hacer la sustitución de $x \mapsto 1/(t+1)$ para obtener

\begin{align} \int_0^1 (1-x)^a \exp\left(-\frac{b}{x}\right) \frac{dx}{x} &= \int_0^\infty e^{-b(t+1)} t^a (t+1)^{-a-1} dt\\ &= e^{-b^{\phantom{1}^\phantom{1}}} \!\!\! \Gamma (a+1) U(a+1,1,b), \end{align}

que es mucho menos de la rotonda de la solución.

3voto

Andreas Puntos 36

Yo no creo que va a ser una solución analítica para la solución de la integral. (Soy feliz si alguien demuestra que estoy equivocado).

Así que necesitamos hacer algo práctico. Aquí está algo de consideración.

Usted quiere resolver para $a_2$:

$$\int_0^1 dx\ f(a_2,b_2,x) - \int_0^1 dx\ f(a_1,b_1,x) = 0$$

Vamos a cambiar el nombre de $- \int_0^1 dx\ f(a_1,b_1,x) = G_{-1}$.

Con algunos buenos iniciales valor de partida, reemplace $a_2$ $a_2 + d$ cuando la diferencia de $d$ será pequeño. Por lo que usted necesita

$$ G(d) = G_{-1} + \int_0^1 dx\ f(a_2+d,b_2,x) = 0$$

Ahora $f(a_2+d,b_2,x) = f(a_2,b_2,x) (1-x)^d $ y se puede expandir $(1-x)^d$ a una toma de corriente de la serie en $d$. Esto funciona, ya que se expande, en el integrando,

$$ (1-x)^d = \sum_{n=0}^\infty (\ln(1-x) )^n d^n / n! $$

EDIT: hubo un mal factor adicional $(1-x)^d$ en los sumandos que fue sacado de aquí y de más tarde.

y las condiciones no difieren en el intervalo de $x \in (0, 1)$ y las correspondientes integrales de existir. Así que usted tiene

$$ G(d) = G_{-1} + \sum_{n=0}^\infty d^n \quad 1/ n! \int_0^1 dx\ f(a_2,b_2,x) (\ln(1-x) )^n = 0$$

De modo ejemplar, elegí algunos $a_2,b_2$ y yo vamos a Wolfram Alpha calcular el primer $n=10$ muchos términos $1/ n! \int_0^1 \cdots$ y uno ve sus valores disminuyen rápidamente con la $n$.

Así que esto te deja con la elección de algunos de los $N$ (dependiendo de la precisión deseada), el cálculo de las integrales y, a continuación, resolver, para $d$, una ecuación polinómica $$ G(d) = G_{-1} + \sum_{n=0}^N d^n G_n = 0$$

La sustitución de $a_2$$a_2 +d$, esto puede ser iterado.

Espero que esto hace la vida más fácil ...

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