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Evaluación de la integral indefinida$\int \frac {x^7-1}{\log x}dx$

La integral que se evalúa es $$\int \frac {x^7-1}{\log x}dx$$

La pregunta era encontrar la integral definida de la anterior en los límites de $0$$1$. Yo no podría aplicarse a cualquiera de los trucos para encontrar integral, por lo tanto pensé encontrar la integral indefinida primero y, a continuación, la aplicación de los límites sería la mejor manera de evaluar la misma.

Traté de aplicar trigonométricas sustitución, que me cansaría de trabajo. Yo también traté de hacer a $x=e^t$, con la esperanza de simplificar la integral, pero que no me dan ningún resultado.

¿Cómo debo proceder para evaluar esta integral?

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projectilemotion Puntos 319

Desde que le preguntó acerca de la integral indefinida, voy a presentar un par de identidades y definiciones:

$${\rm li} (x) = \int_0^x \frac{dt}{\ln t} \tag{1}$$

$$\operatorname{li}(x)=\operatorname{Ei}(\ln{x}) \tag{2}$$

$$\operatorname{Ei}(x)=-\int_{-x}^{\infty}\frac{e^{-t}}t\,dt. \tag{3}$$

Donde ${\rm li} (x)$ es la logarítmica integral, y $\operatorname{Ei}(x)$ es la integral exponencial.


Inicia mediante la sustitución que se ha intentado, es una buena: $$x=e^t \iff dx=e^t ~dt$$ Por tanto de dar: $$\int \frac{x^7-1}{\ln{x}}~dx=\int \frac{e^{7t}-1}{t}\cdot e^t~dt=\int \frac{e^{8t}-e^t}{t}~dt=\color{green}{\int \frac{e^{8t}}{t}~dt}-\color{blue}{\int \frac{e^t}{t}~dt}$$ Sustituyendo $u=8t$ $\color{green}{\text{green}}$ integral y la aplicación de $(3)$, tenemos: $$\int \frac{e^{8t}}{t}~dt=\int \frac{e^u}{u}~du=\operatorname*{Ei}(u)+c_1=\operatorname*{Ei}(8\ln{x})+c_1$$ El $\color{blue}{\text{blue}}$ integral es fácil, podemos aplicar el $(3)$, después de aplicar $(2)$. $$\int \frac{e^t}{t}~dt=\operatorname*{Ei}(t)+c_2=\operatorname*{Ei}(\ln{x})+c_2=\operatorname*{li}(x)+c_2$$ La combinación de los dos resultados, se obtiene el resultado deseado. $$\bbox[5px,border:2px solid #C0A000]{\int \frac{x^7-1}{\ln{x}}~dx=\operatorname*{Ei}(8\ln{x})-\operatorname*{li}(x)+C}$$


Edit: Acabo de hacer la respuesta más hábil, puede separar las integrales de inmediato: $$\int \frac{x^7-1}{\ln{x}}~dx=\color{#0066ff}{\int \frac{x^7}{\ln{x}}~dx}-\color{#990000}{\int \frac{1}{\ln{x}}~dx}$$ Para el $\color{#0066ff}{\text{light blue}}$ integral, podemos sustituir el $x=e^{t/8}$ para obtener: $$\int \frac{x^7}{\ln{x}}~dx=\int \frac{e^t}{t}~dt=\operatorname*{Ei}(t)+c_1=\operatorname*{Ei}(8\ln{x})+c_1$$ Y para el $\color{#990000}{\text{red}}$ integral, podemos aplicar de inmediato $(1)$: $$\int \frac{1}{\ln{x}}~dx=\operatorname*{li}(x)+c_2$$ La combinación de los dos resultados da la misma respuesta que la anterior.

6voto

Brian Mulford Puntos 9

Usted dijo que originalmente quería resolver la integral definida de$x = 0$$1$, así que voy a demostrar cómo hacerlo sin tener que recurrir a la búsqueda de lo primitivo. Para resolver esta integral, utilizamos la Feynman truco de la diferenciación en virtud de la integral. En primer lugar, considere la posibilidad de

\begin{align} I(\alpha) &= \int_{0}^{1} \frac{x^{\alpha} - 1}{\log (x)} dx \\ &= \int_{0}^{1} \frac{x^{\alpha}}{\log (x)} - \frac{1}{\log (x)} dx\quad (1) \end{align}

Diferenciando con respecto a $\alpha$ da

\begin{align} I'(\alpha) &= \int_{0}^{1} \frac{\log (x) \cdot x^{\alpha}}{\log (x)} dx \\ &= \int_{0}^{1} x^{\alpha} dx \\ &= \frac{1}{\alpha + 1} \end{align}

La integración de $I'$

\begin{align} I(\alpha) &= \int \frac{1}{\alpha + 1} d \alpha \\ &= \ln(\alpha + 1) + C \quad (2) \end{align}

Tenga en cuenta que a $(1)$ tenemos $I(0) = 0$. Aplicando esto a $(2)$, nos encontramos con $C = 0$, por lo que

\begin{align} I(\alpha) &= \ln(\alpha + 1) \\ \end{align}

La evaluación en $\alpha = 7$ da el resultado.

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