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¿Qué es una forma cerrada para ${\large\int}_0^1\frac{\ln^3(1+x)\,\ln^2x}xdx$?

Hace algún tiempo me pregunté Cómo encontrar $\displaystyle{\int}_0^1\frac{\ln^3(1+x)\ln x}x\mathrm dx$. Gracias a un gran esfuerzo de varios MSE usuarios, ahora sabemos que \begin{align} \int_0^1\frac{\ln^3(1+x)\,\ln x}xdx=&\,\frac{\pi^2}3\ln^32-\frac25\ln^52+\frac{\pi^2}2\zeta(3)+\frac{99}{16}\zeta(5)\\&\,-\frac{21}4\zeta(3)\ln^22-12\operatorname{Li}_4\!\left(\tfrac12\right)\ln2-12\operatorname{Li}_5\!\left(\tfrac12\right)\tag1 \end{align} Ahora, un natural de seguimiento a esa pregunta es el golpe de la potencia del logaritmo y preguntar:

Pregunta: ¿Qué es una forma cerrada para la siguiente integral? $$I=\int_0^1\frac{\ln^3(1+x)\,\ln^2x}xdx\tag2$$

Creo que es probable que $I$ tiene una forma cerrada, porque hay varios muy similar integrales de haber conocido a formas cerradas: $$\int_0^1\frac{\ln^2(1+x)\,\ln^2x}xdx=\frac{\pi^2\,\zeta(3)}3-\frac{29\,\zeta(5)}8\tag3$$


$$\int_0^1\frac{\ln^3(1-x)\,\ln^2x}xdx=12\zeta^2(3)-\frac{23\pi^6}{1260}\tag4$$


\begin{align} \int_0^1\frac{\ln^3(1+x)\,\ln^2x}{x^2}dx=&\,\frac{3\zeta(3)}2+2\pi^2\zeta(3)+\frac{3\zeta(5)}2-\frac{21\zeta(3)}2\ln^22\\&\,-\frac{63\zeta(3)}2\ln2+\frac{23\pi^4}{60}-\frac{4\ln^52}5-\frac{3\ln^42}2\\&\,-4\ln^32+\frac{2\pi^2}3\ln^32+\frac{3\pi^2}2\ln^22-24\operatorname{Li}_5\!\left(\tfrac12\right)\\&\,-36\operatorname{Li}_4\!\left(\tfrac12\right)-24\operatorname{Li}_4\!\left(\tfrac12\right)\ln2\tag5 \end{align}

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Godsaur Puntos 121

Voy a estar usando los siguientes resultados: $$2\sum^\infty_{n=1}\frac{H_n}{n^q}=(q+2)\zeta(q+1)-\sum^{q-2}_{j=1}\zeta(j+1)\zeta(q-j)\tag1$$ $$\sum^\infty_{n=1}\frac{H_n}{n^22^n}=\zeta(3)-\frac{\pi^2}{12}\ln{2}\tag2$$ $$\sum^\infty_{n=1}\frac{H_n}{n^32^n}={\rm Li}_4\left(\tfrac{1}{2}\right)+\frac{\pi^4}{720}-\frac{1}{8}\zeta(3)\ln{2}+\frac{1}{24}\ln^4{2}\tag3$$ \begin{align} \sum^\infty_{n=1}\frac{H_n}{n^42^n} =&2{\rm Li}_5\left(\tfrac{1}{2}\right)+\frac{1}{32}\zeta(5)+{\rm Li}_4\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln{2}-\frac{\pi^4}{720}\ln{2}+\frac{1}{2}\zeta(3)\ln^2{2}\\&-\frac{\pi^2}{12}\zeta(3)-\frac{\pi^2}{36}\ln^3{2}+\frac{1}{40}\ln^5{2}\tag4 \end{align} Pruebas de $(1)$, $(2)$ y $(4)$ se puede encontrar aquí, aquí y aquí respectivamente. Por desgracia, no ha sido un matemáticamente prueba de sonido de $(3)$ sobre el MSE como la de ahora.


El uso de $\mathcal{I}$ para denotar la integral en cuestión, \begin{align} \mathcal{I} &=-\int^1_0\frac{\ln^3{x}\ln^2(1+x)}{1+x}{\rm d}x\\ &=-\int^2_1\frac{\ln^2{x}\ln^3(x-1)}{x}{\rm d}x\\ &=\underbrace{-\int^1_\frac{1}{2}\frac{\ln^2{x}\ln^3(1-x)}{x}{\rm d}x}_{\mathcal{I}_1}\underbrace{+3\int^1_{\frac{1}{2}}\frac{\ln^3{x}\ln^2(1-x)}{x}}_{\mathcal{I}_2}\underbrace{-3\int^1_{\frac{1}{2}}\frac{\ln^4{x}\ln(1-x)}{x}{\rm d}x}_{\mathcal{I}_3}-\frac{1}{6}\ln^6{2} \end{align} Para $\mathcal{I}_1$, integración por partes da $$\mathcal{I}_1=\frac{1}{3}\ln^6{2}-\int^1_\frac{1}{2}\frac{\ln^3{x}\ln^2(1-x)}{1-x}{\rm d}x$$ Por otro lado, $x\mapsto1-x$ rendimientos $$\mathcal{I}_1=-\int^\frac{1}{2}_0\frac{\ln^3{x}\ln^2(1-x)}{1-x}{\rm d}x$$ La combinación de estas dos igualdades, tenemos \begin{align} \mathcal{I}_1 &=\frac{1}{6}\ln^6{2}-\frac{1}{2}\int^1_0\frac{\ln^3{x}\ln^2(1-x)}{1-x}{\rm d}x\\ &=\frac{1}{6}\ln^6{2}-\frac{1}{2}\frac{\partial^5\beta}{\partial a^3\partial b^2}(1,0^+)\\ &=\frac{1}{6}\ln^6{2}-\frac{1}{2}\left[\frac{1}{b}+\mathcal{O}(1)\right]\left[\left(12\zeta^2(3)-\frac{23\pi^6}{1260}\right)b+\mathcal{O}(b^2)\right]_{b=0}\\ &=\frac{23\pi^6}{2520}-6\zeta^2(3)+\frac{1}{6}\ln^6{2} \end{align} Incluso con la ayuda de Wolfram Alpha, la evaluación de la quinta derivado era horriblemente desagradable por decir lo menos. Como para $\mathcal{I}_2$, \begin{align} \mathcal{I}_2 =&6\sum^\infty_{n=1}\frac{H_n}{n+1}\int^1_\frac{1}{2}x^n\ln^3{x}\ {\rm d}x\\ =&6\sum^\infty_{n=1}\frac{H_n}{n+1}\frac{\partial^3}{\partial n^3}\left(\frac{1}{n+1}-\frac{1}{(n+1)2^{n+1}}\right)\\ =&\color{#E2062C}{-\sum^\infty_{n=1}\frac{36H_n}{(n+1)^5}}+\color{#FF4F00}{\sum^\infty_{n=1}\frac{36H_n}{(n+1)^52^{n+1}}}+\color{#00A000}{\sum^\infty_{n=1}\frac{36\ln{2}H_n}{(n+1)^42^{n+1}}}+\color{#21ABCD}{\sum^\infty_{n=1}\frac{18\ln^2{2}H_n}{(n+1)^32^{n+1}}}\\&+\color{#6F00FF}{\sum^\infty_{n=1}\frac{6\ln^3{2}H_n}{(n+1)^22^{n+1}}}\\ =&\color{#E2062C}{-\frac{\pi^6}{35}+18\zeta^2(3)}+\color{#FF4F00}{\sum^\infty_{n=1}\frac{36H_n}{n^52^{n}}-36{\rm Li}_6\left(\tfrac{1}{2}\right)}+\color{#00A000}{36{\rm Li}_5\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln{2}+\frac{9}{8}\zeta(5)\ln{2}}\\ &+\color{#00A000}{36{\rm Li}_4\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln^2{2}-\frac{\pi^4}{20}\ln^2{2}+18\zeta(3)\ln^3{2}-3\pi^2\zeta(3)\ln{2}-\pi^2\ln^4{2}+\frac{9}{10}\ln^6{2}}\\ &+\color{#21ABCD}{\frac{\pi^4}{40}\ln^2{2}-\frac{9}{4}\zeta(3)\ln^3{2}+\frac{3}{4}\ln^6{2}}+\color{#6F00FF}{\frac{3}{4}\zeta(3)\ln^3{2}-\ln^6{2}}\\ =&\sum^\infty_{n=1}\frac{36H_n}{n^52^{n}}-36{\rm Li}_6\left(\tfrac{1}{2}\right)-\frac{\pi^6}{35}+36{\rm Li}_5\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln{2}+\frac{9}{8}\zeta(5)\ln{2}+36{\rm Li}_4\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln^2{2}\\ &-\frac{\pi^4}{40}\ln^2{2}+18\zeta^2(3)-3\pi^2\zeta(3)\ln{2}+\frac{33}{2}\zeta(3)\ln^3{2}-\pi^2\ln^4{2}+\frac{13}{20}\ln^6{2} \end{align} Para $\mathcal{I}_3$, \begin{align} \mathcal{I}_3 =&3\sum^\infty_{n=1}\frac{1}{n}\int^1_\frac{1}{2}x^{n-1}\ln^4{x}\ {\rm d}x\\ =&3\sum^\infty_{n=1}\frac{1}{n}\frac{\partial^4}{\partial n^4}\left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n2^n}\right)\\ =&\sum^\infty_{n=1}\left(\frac{72}{n^6}-\frac{72}{n^62^n}-\frac{72\ln{2}}{n^52^n}-\frac{36\ln^2{2}}{n^42^n}-\frac{12\ln^3{2}}{n^32^n}-\frac{3\ln^4{2}}{n^22^n}\right)\\ =&-72{\rm Li}_6\left(\tfrac{1}{2}\right)+\frac{8\pi^6}{105}-72{\rm Li}_5\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln{2}-36{\rm Li}_4\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln^2{2}\\&-\frac{21}{2}\zeta(3)\ln^3{2}+\frac{3\pi^2}{4}\ln^4{2}-\frac{1}{2}\ln^6{2} \end{align} Así \begin{align} \color{#BF00FF}{\mathcal{I} =}&\color{#BF00FF}{36\sum^\infty_{n=1}\frac{H_n}{n^52^n}-108{\rm Li}_6\left(\tfrac{1}{2}\right)+\frac{143\pi^6}{2520}-36{\rm Li}_5\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln{2}+\frac{9}{8}\zeta(5)\ln{2}-\frac{\pi^4}{40}\ln^2{2}}\\&\color{#BF00FF}{+12\zeta^2(3)-3\pi^2\zeta(3)\ln{2}+6\zeta(3)\ln^3{2}-\frac{\pi^2}{4}\ln^4{2}+\frac{3}{20}\ln^6{2}} \end{align} Tomamos nota de que \begin{align} \zeta(\bar{5},1) =&\frac{1}{24}\int^1_0\frac{\ln^4{x}\ln(1+x)}{1+x}{\rm d}x\\ =&\frac{1}{24}\int^2_1\frac{\ln{x}\ln^4(x-1)}{x}{\rm d}x\\ =&-\frac{1}{24}\int^1_\frac{1}{2}\frac{\ln{x}\ln^4(1-x)}{x}{\rm d}x+\frac{1}{6}\int^1_\frac{1}{2}\frac{\ln^2{x}\ln^3(1-x)}{x}{\rm d}x-\frac{1}{4}\int^1_\frac{1}{2}\frac{\ln^3{x}\ln^2(1-x)}{x}{\rm d}x\\ &+\frac{1}{6}\int^1_\frac{1}{2}\frac{\ln^4{x}\ln(1-x)}{x}{\rm d}x+\frac{1}{144}\ln^6{2}\\ =&\underbrace{-\frac{1}{24}\int^\frac{1}{2}_0\frac{\ln^4{x}\ln(1-x)}{1-x}{\rm d}x}_{\mathcal{J}}-3\sum^\infty_{n=1}\frac{H_n}{n^52^n}+7{\rm Li}_6\left(\tfrac{1}{2}\right)-\frac{17\pi^6}{5040}+{\rm Li}_5\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln{2}\\ &-\frac{3}{32}\zeta(5)\ln{2}-{\rm Li}_4\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln^2{2}+\frac{\pi^4}{480}\ln^2{2}-\frac{1}{2}\zeta^2(3)+\frac{\pi^2}{4}\zeta(3)\ln{2}-\frac{19}{24}\zeta(3)\ln^3{2}\\ &+\frac{\pi^2}{24}\ln^4{2}-\frac{17}{360}\ln^6{2} \end{align} como ya hemos obtuvieron los valores de los últimos tres integrales. Para el resto de la integral, \begin{align} \mathcal{J} =&\frac{1}{24}\sum^\infty_{n=1}H_n\frac{\partial^4}{\partial n^4}\left(\frac{1}{(n+1)2^{n+1}}\right)\\ =&\sum^\infty_{n=1}\frac{H_n}{(n+1)^52^{n+1}}+\sum^\infty_{n=1}\frac{\ln{2}H_n}{(n+1)^42^{n+1}}+\sum^\infty_{n=1}\frac{\ln^2{2}H_n}{2(n+1)^32^{n+1}}+\sum^\infty_{n=1}\frac{\ln^3{2}H_n}{6(n+1)^22^{n+1}}\\ &+\sum^\infty_{n=1}\frac{\ln^4{2}H_n}{24(n+1)2^{n+1}}\\ =&\sum^\infty_{n=1}\frac{H_n}{n^52^n}-{\rm Li}_6\left(\tfrac{1}{2}\right)+{\rm Li}_5\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln{2}+\frac{1}{32}\zeta(5)\ln{2}+{\rm Li}_4\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln^2{2}-\frac{\pi^4}{720}\ln^2{2}\\ &+\frac{1}{2}\zeta(3)\ln^3{2}-\frac{\pi^2}{12}\zeta(3)\ln{2}-\frac{\pi^2}{36}\ln^4{2}+\frac{1}{40}\ln^6{2}+\frac{\pi^4}{1440}\ln^2{2}-\frac{1}{16}\zeta(3)\ln^3{2}\\&+\frac{1}{48}\ln^6{2}+\frac{1}{48}\zeta(3)\ln^3{2}-\frac{1}{36}\ln^6{2}+\frac{1}{48}\ln^6{2}\\ =&\sum^\infty_{n=1}\frac{H_n}{n^52^n}-{\rm Li}_6\left(\tfrac{1}{2}\right)+{\rm Li}_5\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln{2}+\frac{1}{32}\zeta(5)\ln{2}+{\rm Li}_4\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln^2{2}-\frac{\pi^4}{1440}\ln^2{2}\\ &+\frac{11}{24}\zeta(3)\ln^3{2}-\frac{\pi^2}{12}\zeta(3)\ln{2}-\frac{\pi^2}{36}\ln^4{2}+\frac{7}{180}\ln^6{2}\\ \end{align} Por lo tanto podemos expresar $\zeta(\bar{5},1)$ \begin{align} \zeta(\bar{5},1) =&-2\sum^\infty_{n=1}\frac{H_n}{n^52^n}+6{\rm Li}_6\left(\tfrac{1}{2}\right)-\frac{17\pi^6}{5040}+2{\rm Li}_5\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln{2}-\frac{1}{16}\zeta(5)\ln{2}+\frac{\pi^4}{720}\ln^2{2}\\ &-\frac{1}{2}\zeta^2(3)-\frac{1}{3}\zeta(3)\ln^3{2}+\frac{\pi^2}{6}\zeta(3)\ln{2}+\frac{\pi^2}{72}\ln^4{2}-\frac{1}{120}\ln^6{2} \end{align} Esto implica que \begin{align} \sum^\infty_{n=1}\frac{H_n}{n^52^n} =&3{\rm Li}_6\left(\tfrac{1}{2}\right)-\frac{1}{2}\zeta(\bar{5},1)-\frac{17\pi^6}{10080}+{\rm Li}_5\left(\tfrac{1}{2}\right)\ln{2}-\frac{1}{32}\zeta(5)\ln{2}+\frac{\pi^4}{1440}\ln^2{2}\\ &-\frac{1}{4}\zeta^2(3)-\frac{1}{6}\zeta(3)\ln^3{2}+\frac{\pi^2}{12}\zeta(3)\ln{2}+\frac{\pi^2}{144}\ln^4{2}-\frac{1}{240}\ln^6{2} \end{align} Depilación a la original de la integral, obtenemos otra forma, en términos de $\zeta(\bar{5},1)$ \begin{align} \color{#BF00FF}{\mathcal{I} =}&\color{#BF00FF}{-\frac{\pi^6}{252}-18\zeta(\bar{5},1)+3\zeta^2(3)} \end{align} Esto es lo más cercano a una "forma cerrada" como la puedo conseguir. El gran número de cancelaciones que intervienen en el último paso me hace pensar que mi respuesta podría ser rotonda e ineficiente. Tenga en cuenta que no se conocen simple forma cerrada para $\zeta(\bar{5},1)$ existe, lo que implica que las formas cerradas para mayor potencia de las integrales es raro existir.

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