23 votos

Una forma cerrada para $\int_0^\infty e^{-a\,x} \operatorname{erfi}(\sqrt{x})^3\ dx$

Deje $\operatorname{erfi}(x)$ ser la imaginaria de la función de error $$\operatorname{erfi}(x)=\frac{2}{\sqrt{\pi}}\int_0^xe^{z^2}dz.$$ Considere el siguiente parametrizada integral $$I(a)=\int_0^\infty e^{-a\,x} \operatorname{erfi}(\sqrt{x})^3\ dx.$$ He encontrado algunos conjeturó especial los valores de $I(a)$ que son correctos hasta por lo menos varios cientos de dígitos de precisión: $$I(3)\stackrel{?}{=}\frac{1}{\sqrt{2}},\ \ I(4)\stackrel{?}{=}\frac{1}{4\sqrt{3}}.$$

  • Son estos conjeturó valores correctos?
  • Hay un general de forma cerrada fórmula para $I(a)$? O, al menos, hay alguna otra forma cerrada de valores especiales de $I(a)$ simple (por ejemplo, entero o racional) de los valores de $a$?

15voto

Joe Gauterin Puntos 9526

Deje $I = [0,1]$ y aviso

$$\text{erfi}(t) = \frac{2}{\sqrt{\pi}} \int_0^t e^{z^2} dz \quad\implies\quad \text{erfi}(\sqrt{t}) = \frac{2}{\sqrt{\pi}}\sqrt{t} \int_I e^{tz^2} dz$$

La integral de la $\mathscr{I}$ queremos puede ser reescrita como:

$$\begin{align} \mathscr{I} = & \int_0^\infty e^{-at} \sqrt{t}^3 \left(\int_I e^{tz^2}dz\right)^3 dt\\ = & \frac{8}{\sqrt{\pi}^3} \int_{I^3} dx dy dz\left[\int_0^\infty \sqrt{t}^3e^{-(a-x^2-y^2-z^2)t}) dt\right]\\ = & \frac{8}{\sqrt{\pi}^3} \Gamma(\frac52) \int_{I^3} \frac{dx dy dz}{\sqrt{a - x^2 - y^2 - z^2}^5}\\ = & \frac{8}{\pi} \frac{\partial^2}{\partial a^2} \int_{I^3} \frac{dx dy dz}{\sqrt{a - x^2 - y^2 - z^2}} \end{align}$$ Puesto que el valor máximo de $x^2 + y^2 + z^2$$I^3$$3$, por encima de reescritura es válido al $a > 3$.

Para calcular la integral, vamos a dividir el cubo de $I^3$ a 6 simplices de acuerdo a la orden de clasificación de $x, y, z$. En cualquiera de estos simplices, dicen el uno para $1 \ge x \ge y \ge z \ge 0$, introducir los parámetros de $(\rho,\lambda,\mu) \in I^3$ tal que $(x, y, z) = (\rho,\rho\lambda,\rho\lambda\mu)$, tenemos:

$$\begin{align} \mathscr{I} = & \frac{48}{\pi} \frac{\partial^2}{\partial a^2} \int_{I^3} \frac{\rho^2 \lambda d\rho d\lambda d\mu}{\sqrt{a - \rho^2 - \lambda^2 \rho^2 ( 1 + \mu^2})}\\ = & \frac{48}{\pi} \frac{\partial^2}{\partial a^2} \int_{I^2} \frac{\rho^2 d\rho d\mu}{\rho^2(1+\mu^2)} \left[ - \sqrt{a - \rho^2 - \lambda^2 \rho^2 ( 1 + \mu^2}) \right]_{\lambda=0}^1\\ = & \frac{48}{\pi} \frac{\partial^2}{\partial a^2} \int_{I^2} \frac{\rho^2 d\rho d\mu}{\rho^2(1+\mu^2)} \left[ \sqrt{a - \rho^2 } - \sqrt{a - \rho^2 ( 2 + \mu^2}) \right]\\ = & \frac{24}{\pi} \frac{\partial}{\partial a} \int_{I^2} \frac{d\rho d\mu}{1+\mu^2} \left[ \frac{1}{\sqrt{a - \rho^2 }} - \frac{\frac{1}{\sqrt{2+\mu^2}} }{\sqrt{\frac{a}{2+\mu^2} - \rho^2})} \right]\\ = & \frac{24}{\pi} \frac{\partial}{\partial a} \int_{I} \frac{d\mu}{1+\mu^2} \left[ \arcsin(\frac{1}{\sqrt{a}}) - \frac{1}{\sqrt{2+\mu^2}} \arcsin(\sqrt{\frac{2+\mu^2}{a}}) \right]\\ = & \frac{24}{\pi} \int_{I} \frac{d\mu}{1+\mu^2} \left[ \frac{-\frac{1}{2\sqrt{a}^3}}{\sqrt{1 - \frac{1}{a}}} - \frac{-\frac{1}{2\sqrt{a}^3}}{\sqrt{1 - \frac{2+\mu^2}{a}}} \right]\\ = & \frac{12}{\pi a } \int_{I} \frac{d\mu}{1+\mu^2} \left[ \frac{1}{\sqrt{a-2-\mu^2}} - \frac{1}{\sqrt{a-1}} \right]\\ \stackrel{\color{blue}{[1]}}{=} & \frac{12}{\pi a} \left[ \frac{1}{\sqrt{a-1}}\arctan \frac{\sqrt{a-1} \mu}{\sqrt{a - 2 -\mu^2}} - \frac{1}{\sqrt{a-1}} \arctan \mu \right]_{\mu=0}^1 \\ = & \frac{12}{\pi a\sqrt{a-1}} \left[ \arctan\left(\sqrt{\frac{a-1}{a-3}}\right) - \frac{\pi}{4} \right]\\ = & \frac{12}{\pi a\sqrt{a-1}} \arctan\left( \frac{\sqrt{\frac{a-1}{a-3}}-1}{\sqrt{\frac{a-1}{a-3}}+1} \right)\\ \stackrel{\color{blue}{[2]}}{=} & \frac{6}{\pi a\sqrt{a-1}} \arctan\frac{1}{\sqrt{(a-1)(a-3)}} \end{align}$$

Notas

  • $\color{blue}{[1]}$ Soy perezoso, me sale más a la izquierda de la integral en el lado derecho de Wolfram alpha, en lugar de derivar a mí mismo.
  • $\color{blue}{[2]}$ Deje $u = \sqrt{\frac{a-1}{a-3}}$, tenemos

    $$\begin{align} 2\arctan\frac{u-1}{u+1} = & \arctan\frac{2\frac{u-1}{u+1}}{1-\left(\frac{u-1}{u+1}\right)^2} = \arctan\frac{u^2 - 1}{2u}\\ = & \arctan\frac{\frac{a-1}{a-3}-1}{2\sqrt{\frac{a-1}{a-3}}} = \arctan\frac{1}{\sqrt{(a-1)(a-3)}} \end{align}$$

12voto

Dennis Puntos 9534

Se utiliza, por un lado, el resultado intermedio de Robert Israel: $$I(a)=\frac{6}{a\sqrt{\pi}}\int_0^{\infty}e^{(1-a)x^2}\operatorname{erfi}^2 x\;dx,$ $ y por el contrario, una evaluación de Prudnikov-Brychkov-Marychev (Vol.2, fórmula 2.8.19.8):\begin{align} J(p,b,c)&=\int_0^{\infty}e^{-px^2}\operatorname{erf}bx\operatorname{erf}cx\;dx=\\&=\frac{1}{\sqrt{\pi p}}\arctan\frac{bc}{\sqrt{p(b^2+c^2+p)}}. \end {Alinee el} suponiendo que hay sorpresas en la continuación analítica (esto en principio puede ser trabajado hacia fuera), la comparación de dos fórmulas da\begin{align} I(a)&=-\frac{6}{a\sqrt{\pi}}\,J({a-1},i,i)=\\&= \frac{6}{\pi a \sqrt{a-1}}\arctan\frac{1}{\sqrt{(a-1)(a-3)}}. \end {Alinee el} esto es válido para $a>3$. El caso $a=3$ puede tratarse mediante la sustitución de su limitante valor $\arctan$ $\frac{\pi}{2}$.

0voto

Matthew Scouten Puntos 2518

No sé, pero se puede sustituir $\sqrt{x} = t$ $$ \int_0^\infty 2 \exp(-a t^2)\; \text{erfi}(t)^3 t\ dt$ $ y $a \ge 3$, integrar por partes: $$ \dfrac{6}{a \sqrt{\pi}} \int_0^\infty \exp((1-a)t^2) \; \text{erfi}(t)^2\ dt$ $

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