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Obtener una buena aproximación del $\int_0^1 \left(H_x\right)^2 dx$, donde $H_x$ es el número armónico generalizado

El código

integrar (H_x)^2 dx, desde x=0 a x=1

en Wolfram alpha de la calculadora en línea, donde como se puede ver $H_x$ es un generalizada número armónico, nos dicen que tiene $$\int_0^1 \left(H_x\right)^2 dx\approx 0.413172.$$

He curiosidad acerca de

Pregunta. Cómo se puede calcular con el análisis o análisis numérico de una aproximación de $$\int_0^1 \left(H_x\right)^2 dx?$$ Mus usted es capaz de utilizar sus conocimientos acerca de la armónica de los números, o bien si su enfoque es mediante el análisis numérico cuéntanos ¿cuál es tu método numérico y cómo funciona. Muchas gracias.

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Roger Hoover Puntos 56

Esta es una pregunta interesante que puede ser abordado de muchas maneras, hay muchas probabilidades de que un buen pedazo de matemáticas va a salir de ella. Por ahora, me limitaré a seguir recopilando y ordenando las observaciones, hasta llegar a una respuesta completa.

Tenemos $H_x=\gamma+\psi(x+1)$$\int_{0}^{1}\psi(x+1)\,dx = \log\frac{\Gamma(2)}{\Gamma(1)}=0$, por lo que la integral es igual a $\gamma^2+\int_{0}^{1}\psi(x+1)^2\,dx$. La función de $\psi(x+1)^2$ es positivo y convexo en $(0,1)$ y los valores de la $\psi$ función en puntos racionales en $(0,1)$ puede ser calculado en un modo explícito a través de Gauss Digamma Teorema, por lo tanto la evaluación numérica de la integral dada es bastante simple, a través de la regla de Simpson o enfoques similares.

En un buen barrio de el origen tenemos $$ H_x = \zeta(2)x-\zeta(3)x^2+\zeta(4)x^3-\zeta(5)x^4+\ldots\tag{1} $$ por lo tanto $$ \int_{0}^{1}H_x^2\,dx = \sum_{m,n\geq 2}\frac{(-1)^{m+n}}{m+n-1}\zeta(m)\zeta(n) = \sum_{j\geq 3}\frac{(-1)^{j+1}}{j}\sum_{k=2}^{j-1}\zeta(k)\,\zeta(j+1-k) \tag{2}$$ donde podemos recordar el teorema de Euler sobre $\sum_{n\geq 1}\frac{H_n}{n^q}$: $$ \sum_{k=2}^{j-1}\zeta(k)\,\zeta(j+1-k) = (2+j)\,\zeta(j+1)-2\sum_{n\geq 1}\frac{H_n}{n^j}=j\,\zeta(j+1)-2\sum_{n\geq 1}\frac{H_{n-1}}{n^j}. \tag{3}$$ Este enfoque debería permitir convertir el original de la integral en una serie simple, ya que $$ \sum_{j\geq 3}(-1)^{j+1}\zeta(j+1) \stackrel{\text{Abel reg.}}{=} 1-\zeta(2)+\zeta(3).$$ En particular, el problema se reduce a la aproximación de evaluación de la siguiente serie: $$ \sum_{n\geq 1}\left[\frac{1-2n}{2n^2}+\log\left(1+\frac{1}{n}\right)\right]H_{n-1} \tag{4}$$ cuyo término general que sin embargo se comporta como $\frac{\log n}{n^3}$, lo bastante rápida convergencia.
Si aplicamos la sumación por partes, obtenemos un término general que es más sencillo, pero con un lento decaimiento hacia cero: $$ \begin{eqnarray*}(4)&=&\lim_{N\to +\infty}\left[\left(-\gamma+\frac{\pi^2}{12}\right)H_{N-1}-\sum_{n=1}^{N-1}\frac{\frac{1}{2}H_n^{(2)}-H_n+\log(n+1)}{n}\right]\\&=&\frac{1}{2}\zeta(3)+\sum_{n\geq 1}\frac{H_n-\log(n+1)-\gamma}{n}\tag{5} \end{eqnarray*}$$

Ahora podemos emplear la forma asintótica de la serie de armónicos de números en orden a escribir $(5)$ en términos de números de Bernoulli, los valores de la Riemann $\zeta$ función y la serie

$$ \sum_{n\geq 1}\frac{\log(n+1)-\log(n)}{n}\stackrel{SBP}{=}\sum_{n\geq 1}\frac{\log(n+1)}{n(n+1)}=\int_{0}^{1}\frac{(1-x)\log(1-x)}{x\log x}\,dx \approx 1.25775 \tag{6}$$ que puede ser re-escrita en términos de Gregorio coeficientes o simplemente como $\sum_{m\geq 1}\frac{(-1)^{m+1}\zeta(m+1)}{m}$.

(Continúa)

2voto

Simple Art Puntos 745

Tenemos $H_x=\sum_{k=1}^\infty\frac1k-\frac1{x+k}$, por lo tanto, se desprende productos de Cauchy que tenemos

$$(H_x)^2=\sum_{k=0}^\infty\sum_{l=0}^k\left(\frac1{l+1}-\frac1{x+1+l}\right)\left(\frac1{k+1-l}-\frac1{x+1+k-l}\right)$$

Integración de término por término, terminamos con

$$\int_0^1(H_x)^2\ dx=\sum_{k=0}^\infty\sum_{l=0}^k\left(\frac1{(l+1)(k+1-l)}+\frac{\ln\left(\frac{1+l}{2+l}\right)}{k+1-l}+\frac{\ln\left(\frac{1+k-l}{k-l}\right)}{l+1}+\frac{\ln\left(\frac{(1+l)(2+k-l)}{(2+l)(1+k-l)}\right)}{2l-k}\right)$$

Que, aunque no óptima, es más elemental que la respuesta de Jack D'Aurizio.

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