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$\int_{-\infty}^{\infty}{e^x+1\over (e^x-x+1)^2+\pi^2}\mathrm dx=\int_{-\infty}^{\infty}{e^x+1\over (e^x+x+1)^2+\pi^2}\mathrm dx=1$

Look-alike integrales

$$I_1+I_2=\int_{-\infty}^{\infty}{e^x+1\over (e^x-x+1)^2+\pi^2}\mathrm dx=\int_{-\infty}^{\infty}{e^x+1\over (e^x+x+1)^2+\pi^2}\mathrm dx=1\tag1$$

Me pregunto si estas integrales $I_1$ $I_2$ son los mismos en términos de la transformación es la preocupación? O que sólo ocurrió darle la misma forma cerrada?

Si puedo hacer una sustitución de $u=e^x+1$, no hay mucho que pasó

$$\int_{1}^{\infty}{u\over u-1}\cdot{\mathrm du\over (u-\ln{(u-1)})^2+\pi^2}=\int_{1}^{\infty}{u\over u-1}\cdot{\mathrm du\over (u+\ln{(u-1)})^2+\pi^2}\tag2$$

Nota: yo no puedo mostrar, pero creo que $I_1$ $I_2$ no están relacionados en términos de la transformación de uno en el otro.

Otra cosa

¿Cómo podemos demostrar que $I_1$ o $I_2$ tiene un valor de uno?

18voto

Roger Hoover Puntos 56

Tenemos que $\frac{e^x-1}{(e^x-x+1)^2+\pi^2}$ tiene una simple primitivo, dado por $\frac{1}{\pi}\arctan\frac{1+e^x-x}{\pi}$. De ello se sigue que:

$$ I_1 = \int_{-\infty}^{+\infty}\frac{e^x+1}{(e^x-x+1)^2+\pi^2}\,dx= 2\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{dx}{(e^x-x+1)^2+\pi^2}$$ y el residuo teorema da el siguiente

Lema. Si $a>0$$b\in\mathbb{R}$, $ $ \int_{-\infty}^{+\infty}\frac{a^2\,dx}{(e^x-ax-b)^2+(a\pi)^2}=\frac{1}{1+W\left(\frac{1}{a}e^{-b/a}\right)} $$ where $P$ es Lambert función.

En nuestro caso, por la elección de $a=1$ $b=-1$ tenemos que $I_1$ depende de $W(e)=1$ y es igual a $\color{red}{\large 1}$.

$I_2$ es más fácil de calcular: $$ I_2 = \int_{-\infty}^{+\infty}\frac{e^x+1}{(e^x+x+1)^2+\pi^2}\,dx = \frac{1}{\pi}\,\left.\arctan\left(\frac{1+x+e^x}{\pi}\right)\right|_{-\infty}^{+\infty} = \color{red}{1}.$$


Adenda. Debido a la identidad $$\begin{eqnarray*} I_1 &=& \int_{0}^{+\infty}\frac{u+1}{u}\cdot\frac{du}{(u+1-\log u)^2+\pi^2}\\&=&\frac{1}{\pi}\int_{0}^{+\infty}\int_{0}^{+\infty}(u+1)u^{x-1}e^{-(u+1)x}\sin(\pi x)\,dx\,du\\&=&\frac{2}{\pi}\int_{0}^{+\infty} e^{-x} x^{-x}\Gamma(x)\sin(\pi x)\,dx\\&=&2\int_{0}^{+\infty}\frac{e^{-x} x^{-x}}{\Gamma(1-x)}\,dx\end{eqnarray*}$$ el Lema anterior también demuestra el altamente no trivial de la identidad $$ \int_{0}^{+\infty}\frac{(ex)^{-x}}{\Gamma(1-x)}\,dx = \frac{1}{2} \tag{HNT}$$ equivalente a la afirmación de $I_1=1$. Sería interesante encontrar una independiente de la prueba de $\text{(HNT)}$, tal vez basado en Glasser maestro del teorema, Ramanujan maestro del teorema o de Lagrange de la inversión. También hay una interesante discretos analógica de $\text{(HNT)}$, $$ \sum_{n\geq 1}\frac{n^n}{n!(4e)^{n/2}}=1$$ que viene de Lagrange de la inversión de la fórmula.

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