7 votos

Integración incorrecta de $\log x \operatorname{sech} x$

¿Cómo demostrar lo siguiente? $$ \int_0^\infty \log x \operatorname{sech}x\,dx = \frac{\pi}{2} \log\left( \frac{4\pi^3}{\Gamma(1/4)^4} \right) $$ Obtuve el lado derecho con CAS. Parece que esta función tiene muchos polos en el eje imaginario, por lo que no se puede utilizar una integral de contorno simple. También he probado lo siguiente $$\begin{align*} \int_0^\infty \log x \operatorname{sech} x\, dx &= \int_0^\infty \operatorname{sech} x \left. \frac{\partial}{\partial s} x^s \right|_{s=0} dx \\ &= \left. \frac{\partial}{\partial s} \int_0^\infty x^s \operatorname{sech} x\,dx \right|_{s=0} \end{align*}$$ Sin embargo, la última integral es muy difícil de evaluar y contiene términos de $\zeta$ funciones.

8voto

Renan Puntos 6004

Sugerencia . Se puede escribir $$\begin{align} \int_0^\infty \log x \operatorname{sech}x\,dx &= 2\int_{0}^{\infty} \frac{\partial_s \left.\left(x^s\right)\right|_{s=0} }{1 + e^{-2x}} \:e^{-x}\: dx \\\\ &=2\: \left.\partial_s \left(\int_{0}^{\infty} \frac{x^s e^{-x}}{1 + e^{-2x}} \; dx \right)\right|_{s=0}\\\\ &= 2\:\left.\partial_s \left(\int_{0}^{\infty} \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n x^s e^{-(2n+1)x} \; dx \right)\right|_{s=0}\\\\ &=2\: \left.\partial_s \left(\sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \, \frac{\Gamma(s+1)}{(2n+1)^{s+1}} \right)\right|_{s=0}\\\\ &=2\: \left.\partial_s \left( \Gamma(s+1)\beta(s+1)\right)\right|_{s=0}\\\\ &= -2\:\gamma \cdot\beta(1)+2\:\beta'(1) \end{align}$$ donde $\gamma $ es la constante de Euler-Mascheroni, $\beta(\cdot)$ es el Función beta de Dirichlet $$ \beta(s)=\sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n }{(2n+1)^{s}} $$ se pueden utilizar los valores especiales $$ \beta(1)=\frac{\pi}4,\qquad \beta'(1) = \frac{\pi}{4} \left[ \gamma + 2 \log 2 + 3 \log \pi - 4 \log \Gamma\left(\frac{1}{4}\right) \right], $$ probado aquí para obtener

$$\int_0^\infty \frac{\log x}{\cosh x}\,dx = \frac{\pi}{2} \:\log\left( \frac{4\pi^3}{\Gamma(1/4)^4} \right) $$

como se anunció.

0 votos

Oh, genial, me lo estaba perdiendo $\beta'(1)$ es bien conocida. Bien hecho, (+1).

3voto

Esta prueba directa fue descubierta por Abdulhafeez Ayinde Abdulsalam (véase https://arxiv.org/abs/2203.02675 ).

Sea $\displaystyle \Delta\left(a\right) = \int_0^{\infty} \frac{\log\left(x^2 + a^2\right)}{\cosh\left(\pi x\right)} \, \mathrm{d}x$ .

Entonces \begin{align*} \Delta\left(a\right) &= \int_0^{\infty} \frac{\log\left(\left|a\right| - ix\right)}{\cosh\left(\pi x\right)} \, \mathrm{d}x + \int_0^{\infty} \frac{\log\left(\left|a\right| + ix\right)}{\cosh\left(\pi x\right)} \, \mathrm{d}x \end{align*} donde $i=\sqrt{-1}$ . \begin{align*} \Delta\left(a\right) &= 2\int_0^{\infty} \frac{\log\left(\left|a\right| - ix\right)}{e^{-2 \pi x} + 1} e^{-\pi x} \, \mathrm{d}x + 2\int_0^{\infty} \frac{\log\left(\left|a\right| + ix\right)}{e^{-2 \pi x} + 1} e^{-\pi x} \, \mathrm{d}x \\&= -\frac{2}{\pi}\int_0^{\infty} \log\left(\left|a\right| - ix\right) \,\, \mathrm{d}\left(\arctan\left(e^{-\pi x}\right)\right) - \frac{2}{\pi}\int_0^{\infty} \log\left(\left|a\right| + ix\right) \,\, \mathrm{d}\left(\arctan\left(e^{-\pi x}\right)\right) \\&=\frac{-2i}{\pi}\int_0^{\infty} \frac{\arctan\left(e^{-\pi x}\right)}{\left|a\right| - ix}\, \mathrm{d}x + \frac{2i}{\pi}\int_0^{\infty} \frac{\arctan\left(e^{-\pi x}\right)}{\left|a\right| + ix} \, \mathrm{d}x + \ln{a} \end{align*} Por lo tanto \begin{align*} \Delta\left(a\right) - \ln{a} &= \frac{-2i}{\pi}\int_0^{\infty} \arctan\left(e^{-\pi x}\right) \int_0^{\infty} e^{-t\left(\left|a\right| - ix\right)} \,\, \mathrm{d}t \, \mathrm{d}x \\&\quad+ \frac{2i}{\pi}\int_0^{\infty} \arctan\left(e^{-\pi x}\right) \int_0^{\infty} e^{-t\left(\left|a\right| + ix\right)} \,\, \mathrm{d}t \, \mathrm{d}x \\&= \frac{-2i}{\pi}\int_0^{\infty}e^{-\left|a\right|t}\int_0^{\infty} e^{itx} \arctan\left(e^{-\pi x}\right)\mathrm{d}x \,\, \mathrm{d}t \\&\quad+\frac{2i}{\pi}\int_0^{\infty}e^{-\left|a\right|t}\int_0^{\infty} e^{-itx} \arctan\left(e^{-\pi x}\right)\mathrm{d}x \,\, \mathrm{d}t \\&= \frac{-2i}{\pi}\int_0^{\infty}e^{-\left|a\right|t}\int_0^{\infty} \left(e^{itx} - e^{-itx}\right) \arctan\left(e^{-\pi x}\right)\mathrm{d}x \,\, \mathrm{d}t \end{align*} Por la fórmula de Euler, $$e^{itx} - e^{-itx} = 2i\sin{\left(tx\right)}.$$ Por lo tanto \begin{align*} \Delta\left(a\right) - \ln{a} &= \frac{4}{\pi}\int_0^{\infty}e^{-\left|a\right|t}\int_0^{\infty} \sin{\left(tx\right)} \arctan\left(e^{-\pi x}\right)\mathrm{d}x \,\, \mathrm{d}t \\&= \frac{4}{\pi}\int_0^{\infty}e^{-\left|a\right|t}\int_0^{\infty} \mathrm{d}\left(\frac{-\cos{\left(tx\right)}}{t}\right) \arctan\left(e^{-\pi x}\right) \,\, \mathrm{d}t \\&= \frac{4}{\pi}\int_0^{\infty}e^{-\left|a\right|t}\left( \frac{\pi}{4t} - \frac{\pi}{2t}\int_0^{\infty}\frac{\cos{\left(tx\right)}}{\cosh\left(\pi x\right)} \, \mathrm{d}x\right) \,\, \mathrm{d}t \\&= \frac{4}{\pi}\int_0^{\infty}e^{-\left|a\right|t}\left( \frac{\pi}{4t} - \frac{1}{2t}\int_0^{\infty}\frac{\cos{\left(\frac{tx}{\pi}\right)}}{\cosh\left(x\right)}\, \mathrm{d}x\right) \,\, \mathrm{d}t \\&= \frac{4}{\pi}\int_0^{\infty} e^{-\left|a\right|t} \left(\frac{\pi}{4t} - \frac{\pi}{4t}\mathrm{sech}\left(\frac{t}{2}\right)\right) \,\, \mathrm{d}t \\&= \int_0^{\infty} e^{-\left|a\right|t}\left(\frac{1}{t} - \frac{1}{t}\mathrm{sech}\left(\frac{t}{2}\right)\right) \,\, \mathrm{d}t \\&= \int_0^{\infty} \left(\frac{e^{-\left|a\right|t}}{t} - \frac{2e^{-\left(\left|a\right| + \frac{1}{2}\right)t}}{t\left(1 + e^{-t}\right)} \right)\,\, \mathrm{d}t {\stackrel{\,\,t \rightarrow 2t}{=}} \int_0^{\infty} \left(\frac{e^{-2\left|a\right|t}}{t} - \frac{2e^{-\left(2\left|a\right| + 1\right)t}}{t\left(1 + e^{-2t}\right)} \right)\,\, \mathrm{d}t \\&{\stackrel{z \rightarrow e^{-t}}{=}} -\int_0^{1} \left(z^{2\left|a\right|} - \frac{2z^{2\left|a\right|+1}}{1 + z^2} \right)\,\, \frac{\mathrm{d}z}{z\ln{z}} = -\int_0^{1} \frac{z^{2\left|a\right|}}{\ln{z}}\left(\frac{1}{z} - \frac{2}{1 + z^2}\right)\,\, \mathrm{d}z \\&= -\int_0^{1} \frac{z^{2\left|a\right|}}{\ln{z}}\left(\frac{1 + z^2 - 2z}{z\left(1 + z^2\right)}\right)\,\, \mathrm{d}z = -\int_0^{1} \frac{z^{2\left|a\right|}}{\ln{z}}\left(\frac{\left(1 - z\right)^2}{z\left(1 + z^2\right)}\right)\,\, \mathrm{d}z \\&= \int_0^{1} \frac{z^{2\left|a\right| - 1}\left(1 - z\right)}{1 + z^2}\int_0^1 z^p \mathrm{d}p\,\, \mathrm{d}z = \int_0^{1}\int_0^1 \frac{z^{2\left|a\right| + p - 1}\left(1 - z\right)}{1 + z^2} \mathrm{d}p\,\, \mathrm{d}z \\&= \int_0^{1}\int_0^1 \sum_{k=0}^{\infty} \left(-1\right)^k z^{2\left|a\right| + p + 2k - 1}\left(1 - z\right) \mathrm{d}z\,\, \mathrm{d}p \\&= \int_0^{1} \sum_{k=0}^{\infty} \left(-1\right)^k \int_0^1 z^{2\left|a\right| + p + 2k - 1}\left(1 - z\right) \mathrm{d}z\,\, \mathrm{d}p \\&= \int_0^{1} \sum_{k=0}^{\infty} \left(-1\right)^k \left(\frac{1}{2\left|a\right| + p + 2k} - \frac{1}{2\left|a\right| + p + 2k + 1}\right)\, \mathrm{d}p \\&= \frac{1}{2}\int_0^{1} \sum_{k=0}^{\infty} \left(-1\right)^k \left(\frac{1}{k + \frac{2\left|a\right| + p}{2}} - \frac{1}{k + \frac{2\left|a\right| + p + 1}{2}}\right)\, \mathrm{d}p \\&= -\frac{1}{4}\int_0^{1} \left(\psi_0\left(\frac{2\left|a\right| + p}{4}\right) - \psi_0\left(\frac{2\left|a\right| + p}{4} + \frac{1}{2}\right) \right. \\&\qquad\qquad\qquad\left.- \psi_0\left(\frac{2\left|a\right| + p + 1}{4}\right) + \psi_0\left(\frac{2\left|a\right| + p + 1}{4} + \frac{1}{2}\right)\right) \mathrm{d}p \\&= -\log\left(\frac{\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + p}{4}\right)\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + p+ 1}{4} + \frac{1}{2}\right)}{\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + p}{4} + \frac{1}{2}\right)\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + p + 1}{4}\right)}\right)\biggr\vert_0^1 \\&= - \log\left(\frac{\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4}\right)\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 2}{4} + \frac{1}{2}\right)}{\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4} + \frac{1}{2}\right)\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 2}{4}\right)}\right) + \log\left(\frac{\Gamma\left(\frac{2\left|a\right|}{4}\right)\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4} + \frac{1}{2}\right)}{\Gamma\left(\frac{2\left|a\right|}{4} + \frac{1}{2}\right)\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4}\right)}\right) \\&= - \log\left(\frac{\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4}\right)^2\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 2}{4} + \frac{1}{2}\right)}{\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4} + \frac{1}{2}\right)^2 \Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 2}{4}\right)}\right) + \log\left(\frac{\Gamma\left(\frac{2\left|a\right|}{4}\right)}{\Gamma\left(\frac{2\left|a\right|}{4} + \frac{1}{2}\right)}\right) \\&= -\log\left(\frac{\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4}\right)^2\Gamma\left(\frac{\left|a\right|}{2} + 1 \right)}{\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4} + \frac{1}{2}\right)^2 \Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 2}{4}\right)}\right) + \log\left(\frac{\Gamma\left(\frac{\left|a\right|}{2}\right)}{\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 2}{4}\right)}\right) \\&= -\log\left(\frac{\left|a\right|\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4}\right)^2}{2\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4} + \frac{1}{2}\right)^2}\right) = 2\log\left(\frac{\sqrt{2}\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4} + \frac{1}{2}\right)}{\sqrt{\left|a\right|}\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4}\right)}\right). \end{align*} Por lo tanto \begin{align} \Delta\left(a\right) &= 2\log\left(\frac{\sqrt{2}\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4} + \frac{1}{2}\right)}{\sqrt{\left|a\right|}\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4}\right)}\right) + \ln{\left|a\right|} \\&= 2\log\left(\frac{\sqrt{2}\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4} + \frac{1}{2}\right)}{\Gamma\left(\frac{2\left|a\right| + 1}{4}\right)}\right).\tag{1}\label{rzq} \end{align} Tomando el límite de \eqref {rzq} como $a \to 0$ tenemos $$\int_0^{\infty} \frac{\log\left(x\right)}{\cosh\left(\pi x\right)} \, \mathrm{d}x = \log\left(\frac{\sqrt{2}\Gamma\left(\frac{3}{4}\right)}{\Gamma\left(\frac{1}{4}\right)}\right),$$ lo que implica $$ \int_0^{\infty} \ln{x}\mathrm{sech}\left(\pi x\right)\mathrm{d}x= \log\left(\frac{\sqrt{2}\Gamma\left(\frac{3}{4}\right)}{\Gamma\left(\frac{1}{4}\right)}\right)$$ $$ \frac{1}{\pi}\int_0^{\infty} \ln\left(\frac{x}{\pi}\right)\mathrm{sech}\left(x\right)\mathrm{d}x = \log\left(\frac{\sqrt{2}\Gamma\left(\frac{3}{4}\right)}{\Gamma\left(\frac{1}{4}\right)}\right)$$ $$\int_0^{\infty} \ln\left(\frac{x}{\pi}\right)\mathrm{sech}\left(x\right)\mathrm{d}x = \pi\log\left(\frac{\sqrt{2}\Gamma\left(\frac{3}{4}\right)}{\Gamma\left(\frac{1}{4}\right)}\right)$$ $$\int_0^{\infty} \ln{x}\mathrm{sech}\left(x\right)\mathrm{d}x - \ln{\pi}\int_0^{\infty} \mathrm{sech}\left(x\right)\mathrm{d}x = \pi\log\left(\frac{\sqrt{2}\Gamma\left(\frac{3}{4}\right)}{\Gamma\left(\frac{1}{4}\right)}\right)$$ $$\int_0^{\infty} \ln{x}\mathrm{sech}\left(x\right)\mathrm{d}x - \frac{\pi}{2}\ln{\pi} = \pi\log\left(\frac{\sqrt{2}\Gamma\left(\frac{3}{4}\right)}{\Gamma\left(\frac{1}{4}\right)}\right)$$ $$\int_0^{\infty} \ln{x}\mathrm{sech}\left(x\right)\mathrm{d}x= \pi\log\left(\frac{\sqrt{2}\pi^{\frac{1}{2}}\Gamma\left(\frac{3}{4}\right)}{\Gamma\left(\frac{1}{4}\right)}\right) = \pi\log\left(\frac{2\pi^{\frac{3}{2}}}{\Gamma\left(\frac{1}{4}\right)^2}\right).$$

2voto

Roger Hoover Puntos 56

El teorema del residuo da: $$ \text{sech}(z) = \sum_{n\geq 0}\frac{4\pi(-1)^n (2n+1)}{4z^2+(2n+1)^2}\tag{1}$$ por lo tanto:

$$ \int_{0}^{+\infty}x^s \text{sech}(x)\,dx = \pi^{s+1}2^{-s}\sec\left(\frac{\pi s}{2}\right)\sum_{n\geq 0}(-1)^n (2n+1)^s\tag{2} $$ y eso se puede simplificar a: $$\begin{eqnarray*}\int_{0}^{+\infty}x^s \text{sech}(x)\,dx &=& \frac{\Gamma(s+1)}{2^{2s+1}}\left(\zeta(1+s,1/4)-\zeta(1+s,3/4)\right)\\ &=&2\Gamma(s+1)\sum_{n\geq 0}\frac{(-1)^n}{(2n+1)^{s+1}}\tag{3} \end{eqnarray*}$$ es decir, un producto entre un valor del $\Gamma$ y un valor de una función Dirichlet $L$ -función asociada al carácter no principal $\!\pmod{4}$ . No es difícil comprobar que el límite como $s\to 0$ del LHS de $(3)$ es $\pi/2$ . Para calcular $\frac{d}{ds}$ de $(3)$ recordemos que $f'(s)=f(s)\cdot\frac{d}{ds}\log(f(s))$ y tanto el $\Gamma$ y la función $L$ -que aparece en $(3)$ pueden escribirse de forma agradable como productos infinitos: el producto de Weierstrass para el $\Gamma$ conduce a $\frac{\Gamma'}{\Gamma}(1)=-\gamma$ mientras que el producto de Euler: $$ \sum_{n\geq 0}\frac{(-1)^{n+1}}{(2n+1)^{s+1}}=\prod_{p\equiv 1\pmod{4}}\left(1-\frac{1}{p^{s+1}}\right)^{-1}\cdot \prod_{p\equiv 3\pmod{4}}\left(1+\frac{1}{p^{s+1}}\right)^{-1}\tag{4}$$ debería llevarnos a la respuesta final. Sigo trabajando en esto.

0 votos

Sería una forma viable de obtener $2\Gamma(s+1)\beta(s+1)$ .

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