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Integral con $\ln$ y función racional

Vi el siguiente integral en Facebook: $$\int_0^\infty \frac{x \ln(1+x)}{(1+x)(2x^2+2x+1)} dx$$

Al principio pensé que sería fácil de resolver mediante una integral de contorno en el plano complejo, pero no he podido encontrar un útil de contorno.

Mi idea era hacer un corte a lo largo de $(-1, \infty)$ y siga $(0, \infty)$ en ambos lados y conectarlos al infinito con un hugh círculo desde la integral sobre la que debería ser $0$, pero ¿cómo puedo cerrar el camino a cerca de su origen, de manera que puede ser fácilmente calculado o estimado?

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Wong Austin Puntos 147

Demasiado tiempo para comentar.

\begin{align*} I=\int_0^\infty \frac{x \ln(1+x)}{(1+x)(2x^2+2x+1)} dx=\frac{5\pi^2}{96}-\frac{\ln^2 2} 8. \end{align*}

Aquí están algunas de las formas alternativas a evaluar. (Yo prefiero el método 2)


Método 1: Serie + Residuo

Sustituto $x=\frac 1t$,

\begin{align*} I &= \int_0^\infty \frac{\ln(1+t)}{(1+t)(t^2+2t+2)} dt-\int_0^\infty \frac{\ln t}{(1+t)(t^2+2t+2)} dt \\ &= I_1-I_2. \end{align*}

Reivindicación 1: \begin{align*} I_1=\int_0^\infty \frac{\ln(1+t)}{(1+t)(t^2+2t+2)} dt=\frac{\pi^2}{48}. \end{align*}

Poner $t=-1+\frac 1u$$I_1$, \begin{align*} I_1 &= \int_0^1 -\frac{u\ln u}{1+u^2}du=- \int_0^1 \sum_{k=0}^\infty (-1)^k u^{2k+1}\ln u\,du\\ &=- \sum_{k=0}^\infty (-1)^k \left[\frac{u^{2k+2}\ln u}{2k+2}-\frac{u^{2k+2}}{(2k+2)^2}\right]_0^1\\ &=\frac 14 \sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k}{(k+1)^2} \tag {1.1}\\ &=\frac 14\cdot\frac{\pi^2}{12}=\frac{\pi^2}{48}. \end{align*}

Comentario:

Reivindicación 2: \begin{align*} I_2=\int_0^\infty \frac{\ln t}{(1+t)(t^2+2t+2)} dt=\frac{\ln^2 2}{8}-\frac{\pi^2}{32}. \end{align*}

Considerar la llave de agujero de contorno como se muestra:

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Debido a $\frac{\partial}{\partial\alpha}t^\alpha=t^\alpha\ln t$, se utiliza la función

\begin{align*} f(z)=\frac{z^\alpha}{(1+z)(z^2+2z+2)},\qquad\forall -1<\alpha<1. \end{align*}

Los polos de $f$$-1$$-1\pm i$.

Conjunto

\begin{align*} I_2(\alpha) =\int_0^\infty f(t)\,dt=\int_0^\infty \frac{t^\alpha}{(1+t)(t^2+2t+2)}\,dt. \end{align*}

A continuación,

\begin{align*} 2\pi i\sum \text{Res } f&=\oint f(z) dz\\ &=\int_\gamma+\int_\epsilon^R\frac{z^\alpha}{(1+z)(z^2+2z+2)}\,dz+\int_\Gamma+\int_R^\epsilon\frac{\left(ze^{2\pi i}\right)^\alpha}{(1+z)(z^2+2z+2)}\,dz\\ &=\left(1-e^{2\pi\alpha i}\right)\int_\epsilon^R\frac{z^\alpha}{(1+z)(z^2+2z+2)}\,dz+\left(\int_\gamma+\int_\Gamma\right)\\ &=\left(1-e^{2\pi\alpha i}\right)I_2(\alpha). \end{align*}

Y,

\begin{align*} I_2&=\left.\frac{\partial}{\partial \alpha}\right|_{\alpha=0}I_2(\alpha)\\ &=\left.\frac{\partial}{\partial \alpha}\right|_{\alpha=0}\frac{\pi\left(2^{\frac {\alpha}2}\cos\left(\frac{\pi \alpha}4\right)-1\right)}{\sin(\pi \alpha)}\\ &=\frac{\ln^2 2}{8}-\frac{\pi^2}{32}. \end{align*}

O

Uso el mismo contorno y considerar la función $g$:

\begin{align*} g(z)=\frac{\ln^2 z}{(1+z)(z^2+2z+2)}. \end{align*}

Los polos de $g$$-1$$-1\pm i$.

El uso de $0\le\arg z<2\pi$ como la rama del logaritmo correspondiente.

\begin{align*} 2\pi i\sum \text{Res } g&=\oint g(z) dz\\ &=\int_\gamma+\int_\epsilon^R\frac{(\ln z)^2}{(1+z)(z^2+2z+2)}\,dz+\int_\Gamma+\int_R^\epsilon\frac{(\ln z+2\pi i)^2}{(1+z)(z^2+2z+2)}\,dz\\ &=\int_\epsilon^R\frac{(\ln z)^2-(\ln z+2\pi i)^2}{(1+z)(z^2+2z+2)}\,dz+\left(\int_\gamma+\int_\Gamma\right)\\ &=-4\pi i\int_0^\infty\frac{\ln z}{(1+z)(z^2+2z+2)}\,dz+\int_0^\infty\frac{4\pi^2}{(1+z)(z^2+2z+2)}\,dz\\ &=-4\pi iI_2+\int_0^\infty\frac{4\pi^2}{(1+z)(z^2+2z+2)}\,dz. \end{align*}


Método 2: Diferenciación en $\int$

Sustituto $x=\frac{u}{1-u}$,

\begin{align*} I&=-\int_0^1 \frac{u\ln(1-u)}{u^2+1}\,du. \end{align*}

Escribir

\begin{align*} J(\beta)&=-\int_0^1 \frac{u\ln(1-\beta u)}{u^2+1}\,du,\qquad \forall\beta\in[0,1]. \end{align*}

A continuación, $J(0)=0$ y

\begin{align*} J_\beta (\beta)&=\frac{\partial}{\partial \beta}J(\beta)=\int_0^1 \frac{u^2}{(1-\beta u)\left(u^2+1\right)}\,du\\ &=\frac 1{1+\beta^2}\left(\color{red}{-\int_0^1\frac{1+\beta u}{1+u^2}\,du}\color{green}{+\int_0^1 \frac{1}{1-\beta u}\,du}\right)\\ &=\color{red}{-\frac{\pi+2\beta \ln 2}{4(1+\beta^2)}}\color{green}{-\frac{\ln(1-\beta)}{\beta}+\frac{\beta\ln(1-\beta)}{1+\beta^2}}. \end{align*}

\begin{align*} I&=J(1)=\int_0^1 J_\beta (\beta)\,d\beta\\ &=\color{red}{-\int_0^1\frac{\pi+2\beta \ln 2}{4(1+\beta^2)}\,d\beta}\color{blue}{-\int_0^1\frac{\ln(1-\beta)}{\beta}\,d\beta}+\int_0^1\frac{\beta\ln(1-\beta)}{1+\beta^2}\,d\beta\\ &=\color{red}{-\frac{\pi^2}{16}-\frac 14\ln^2 2}\color{blue}{+\frac{\pi^2}{6}}-I. \end{align*}

\begin{align*} \therefore 2I=\frac{5\pi^2}{48}-\frac 14\ln^2 2. \end{align*}


Método 3 : Serie

Inspirado por $\sum_{k=1}^{\infty} \frac{(-1)^{k+1} H_k}{k} = \frac{1}{2} \zeta(2) - \frac{1}{2} \log^2 2$.

Reivindicación 3: \begin{align*} I=-\frac 12 \sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^n} n H_{2n},\qquad\qquad\text{where }H_m=\sum_{n=1}^m\frac 1 n,\quad m\in\mathbb N. \end{align*}

Sustituto $x=\frac{u}{1-u}$,

\begin{align*} I&=-\int_0^1 \frac{u\ln(1-u)}{u^2+1}\,du. \end{align*}

Integrar por partes,

\begin{align*} I&=-\frac 12\int_0^1 \ln(1-u)\,d\left(\ln \frac {1+u^2}{2}\right)\\ &=\underbrace{\left.-\frac 12\ln(1-u)\left(\ln \frac {1+u^2}{2}\right)\right|_0^1}_0+\frac 12 \int_0^1\frac{\color{red}{\ln\left(1+u^2\right)}-\color{green}{\ln 2}}{u-1}\,du\\ &=\frac 12 \int_0^1 \frac 1{u-1}\left(\color{red}{\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n-1}} n u^{2n}}-\color{green}{\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n-1}} n }\right)\,du\\ &=-\frac 12 \sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^n} n\int_0^1\frac {u^{2n}-1}{u-1}\,du\\ &=-\frac 12 \sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^n} n\int_0^1\sum_{k=1}^{2n} u^{k-1}\,du\\ &=-\frac 12 \sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^n} n H_{2n}. \end{align*}

La reclamación se ha establecido.

Deje $S(N)=\sum_{n=1}^N\frac{(-1)^n} n H_{2n},\forall N\in\mathbb N$.

\begin{align*} S(N)&=\sum_{n=1}^N\frac{(-1)^n} n \cdot \frac 1{2n}+\sum_{n=1}^N\frac{(-1)^n} n H_{2n-1}\tag{3.1}\\ &=\frac 12\sum_{n=1}^N\frac{(-1)^n}{n^2}+\frac 12\sum_{n=1}^N\sum_{k=1}^{2n-1}\frac{(-1)^n} n\left(\frac 1k+\frac 1{2n-k}\right)\tag{3.2}\\ &=\frac 12\sum_{n=1}^N\frac{(-1)^n}{n^2}+\sum_{n=1}^N\sum_{k=1}^{2n-1}\frac{(-1)^n}{k(2n-k)}\tag{3.3}\\ &=\frac 12\sum_{n=1}^N\frac{(-1)^n}{n^2}+\Re\left\{\sum_{k=1}^{2N-1}\sum_{m=k+1}^{2N}\frac{(-1)^{m/2}}{k(m-k)}\right\}\tag{3.4}\\ &=\frac 12\sum_{n=1}^N\frac{(-1)^n}{n^2}+\Re\left\{\sum_{k=1}^{2N-1}\sum_{l=1}^{2N-k}\frac{i^{k+l}}{kl}\right\}\tag{3.5}\\ &=\color{purple}{\frac 12\sum_{n=1}^N\frac{(-1)^n}{n^2}}+\color{blue}{\Re\left\{\sum_{k=1}^{2N-1}\frac{i^k}k\sum_{l=1}^{2N-1}\frac{i^l}l\right\}}-\color{orange}{\Re\left\{\sum_{k=1}^{2N-1}\frac{i^k}k\sum_{l=2N-k-1}^{2N-1}\frac{i^l}l\right\}}\tag{3.6}\\ &=\color{purple}{S_1(N)}+\color{blue}{S_2(N)}-\color{orange}{S_3(N)}. \end{align*}

Comentario:

  • En $(3.1)$ rompemos $H_{2n}$ a $\frac 1{2n}+H_{2n-1}$.

  • En $(3.2)$$\sum_{k=1}^{m-1}f(k)=\sum_{k=1}^{m-1}f(m-k)$.

  • En $(3.4)$ intercambio de dos signos de suma y conjunto de $m=2n$.

  • En $(3.5)$ establecer $l=m-k$.

  • En $(3.6)$$\sum_{l=1}^{2N-k}=\sum_{l=1}^{2N-1}-\sum_{l=2N-k-1}^{2N-1}$.

Para demostrar $\color{orange}{S_3(\infty)}=0$, el uso de la Alternancia de Serie de la Prueba, uno tiene

\begin{align*} \left|\color{orange}{S_3(N)}\right|=&\left|\Re\left\{\sum_{k=1}^{2N-1}\left(\frac{i^{2k}}{2k}+\frac{i^{2k-1}}{2k-1}\right)\sum_{l=2N-k-1}^{2N-1}\left(\frac{i^{2l}}{2l}+\frac{i^{2l-1}}{2l-1}\right)\right\}\right|\tag{3.7}\\ &=\left|\Re\left\{\sum_{k=1}^{2N-1}\left(\frac{(-1)^k}{2k}-i\frac{(-1)^k}{2k-1}\right)\sum_{l=2N-k-1}^{2N-1}\left(\frac{(-1)^l}{2l}-i\frac{(-1)^l}{2l-1}\right)\right\}\right|\tag{3.8}\\ &=\left|\sum_{k=1}^{2N-1}\frac{(-1)^k}{2k}\sum_{l=2N-k+1}^{2N-1}\frac{(-1)^l}{2l}+\sum_{k=1}^{2N-1}\frac{(-1)^k}{2k-1}\sum_{l=2N-k-1}^{2N-1}\frac{(-1)^l}{2l-1}\right|\tag{3.9}\\ &\le\left|\sum_{k=1}^{2N-1}\frac{(-1)^k}{k}\sum_{l=2N-k-1}^{2N-1}\frac{(-1)^l}{l}\right|\le\left|\sum_{k=1}^{2N-1}\frac{(-1)^k}{k}\sum_{l=N}^{2N-1}\frac{(-1)^l}{l}\right|\\ &\le\left|2\sum_{l=N}^{2N-1}\frac1{N(N-1)}\right|= \frac 2{N-1}. \end{align*}

Comentario:

  • En $(3.7)$ rompemos índices en pares e impares de las partes.

Por lo tanto, como $N\to\infty$, \begin{align*} \lim_{N\to\infty} S(N)&=\color{purple}{S_1(\infty)}+\color{blue}{S_2(\infty)}-\color{orange}{S_3(\infty)}\\ &=\color{purple}{\frac 12\left(-\frac{\pi^2}{12}\right)}+\color{blue}{\Re\left\{\ln(1-i)\ln(1-i)\right\}}-\color{orange}{0}\\ &=\color{purple}{-\frac{\pi^2}{24}}+\color{blue}{\left(\frac{\ln 2}{2}\right)^2+\left(\frac{-\pi i}{4}\right)^2}-\color{orange}{0}\\ &=-\frac{5\pi^2}{48}+\frac{\ln^2 2} 4. \end{align*}

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