5 votos

¿Cómo probamos que$\int_0^1 \ln x\left({1\over \ln{x}}+{1\over 1-x}\right)^2\,dx=\gamma-1?$

¿Cómo probamos eso?

ps

La única idea que me vino a la mente fue esta serie

ps

O expandido$$\int_{0}^{1}\ln{x}\left({1\over \ln{x}}+{1\over 1-x}\right)^2\, dx =\color{blue}{\gamma-1}?\tag1$

ps

ps

¡Pero$$\sum_{n=1}^{\infty}{1\over 2^k(1+x^{-1/2^k})}={x\over 1-x}-{1\over \ln{x}}\tag2$ diverge!

$(1)$

$$\int_0^1 \left({1\over \ln x} + {2 \over 1-x}+{\ln x \over (1-x)^2} \right)\,dx=\gamma-1\tag3$ también diverge

$$\int_0^1 {\ln x \over (1-x)^2}\,dx=\sum_{n=0}^\infty (1+n)\int_0^1 x^n\ln x \,dx = \sum_{n=0}^\infty (1+n)\cdot{-1\over (1+n)^2}\tag4$

$(4)$ también diverge.

¿Cómo hacemos para integrar$\int {1\over 1-x} \, dx=-\ln(1-x)$?

Ayuda necesaria, gracias!

9voto

Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\ángulos}[1]{\left\langle\,{#1}\,\right\rangle} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\,{#1}\,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\,{#1}\,\right\rbrack} \newcommand{\dd}{\mathrm{d}} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,\mathrm{e}^{#1}\,} \newcommand{\mitad}{{1 \over 2}} \newcommand{\ic}{\mathrm{i}} \newcommand{\iff}{\Longleftrightarrow} \newcommand{\imp}{\Longrightarrow} \newcommand{\Li}[1]{\,\mathrm{Li}} \newcommand{\ol}[1]{\overline{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left(\,{#1}\,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\ul}[1]{\underline{#1}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\,{#2}\,}\,} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{\mathrm{d}^{#1} #2}{\mathrm{d} #3^{#1}}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\,{#1}\,\right\vert}$

La Pregunta:$\ds{\quad\int_{0}^{1}\ln\pars{x} \bracks{{1 \over \ln\pars{x}} + {1\over 1-x}}^{2}\,\dd x = \color{blue}{\gamma - 1}\,?}$.

\begin{align} &\color{#f00}{\int_{0}^{1}\ln\pars{x} \bracks{{1 \over \ln\pars{x}} + {1\over 1-x}}^{2}\,\dd x} = \int_{0}^{1}\bracks{{1 \over \ln\pars{x}} + {2 \over 1 - x} + {\ln\pars{x} \over \pars{1 - x}^{2}}}\,\dd x \end{align} Al $\ds{x \lesssim 1}$ ambos $\ds{1 \over \ln\pars{x}}$ y $\ds{\ln\pars{x} \over \pars{1 - x}^{2}}$ $\ds{\sim\,-\,{1 \over 1 - x}}$ de manera tal que la división de la integral original en tres 'piezas' conduce a la divergencia de las integrales aunque la suma de ellos converge. El mencionado comportamiento, al $\ds{x\lesssim 1}$, sugests la siguiente división: \begin{align} &\color{#f00}{\int_{0}^{1}\ln\pars{x} \bracks{{1 \over \ln\pars{x}} + {1\over 1-x}}^{2}\,\dd x} \\[3mm] = &\ \underbrace{\int_{0}^{1}\bracks{{1 \over \ln\pars{x}} + {1 \over 1 - x}}\,\dd x} _{\ds{J_{1}}}\ +\ \underbrace{\int_{0}^{1}\bracks{{1 \over 1 - x} + {\ln\pars{x} \over \pars{1 - x}^{2} }}\,\dd x}_{\ds{J_{2}}}\ =\ J_{1} + J_{2}\tag{1} \end{align}


  1. $\ds{\large J_{1} =\, ?}$. \begin{align} &\int_{0}^{1}\bracks{{1 \over \ln\pars{x}} + {1 \over 1 - x}}\,\dd x = \int_{0}^{1}\int_{0}^{\infty}\bracks{-x^{y} + \expo{-\pars{1 - x}y}} \,\dd y\,\dd x \\[3mm] = &\ \int_{0}^{\infty}\int_{0}^{1}\bracks{-x^{y} + \expo{-\pars{1 - x}y}} \,\dd x\,\dd y = \int_{0}^{\infty}\bracks{-\,{1 \over y + 1} + \expo{-y}\,{\expo{y} - 1 \over y}}\,\dd y \\[3mm] = &\ \lim_{\epsilon \to 0^{+}}\int_{\epsilon}^{\infty}\bracks{% -\,{1 \over y + 1} + {1 \over y} - {\expo{-y} \over y}}\,\dd y \\[3mm] = &\ \lim_{\epsilon \to 0^{+}}\bracks{-\ln\pars{\epsilon \over 1 + \epsilon} + \ln\pars{\epsilon}\expo{-\epsilon} - \int_{\epsilon}^{\infty}\ln\pars{y}\expo{-y}\,\dd y} = -\,\lim_{\epsilon \to 0}\partiald{}{\epsilon} \int_{0}^{\infty}y^{\epsilon}\expo{-y}\,\dd y \\[3mm] = &\ -\Gamma\,'\pars{1} = -\Gamma\pars{1}\Psi\pars{1} \end{align} \begin{equation}\fbox{$\ds{\ J_{1} = \int_{0}^{1}\bracks{{1 \over \ln\pars{x}} + {1 \over 1 - x}}\,\dd x = \color{#f00}{\gamma}\ }$}\tag{2} \end{equation}
  2. $\ds{\large J_{2} =\, ?}$. Tenga en cuenta que \begin{align} \int{\ln\pars{x} \over \pars{1 - x}^{2}}\,\dd x & = \int\ln\pars{x}\,\dd\pars{1 \over 1 - x} = {\ln\pars{x} \over 1 - x} - \int{1 \over 1 - x}\,{1 \over x}\,\dd x \\[3mm] & = {\ln\pars{x} \over 1 - x} - \int\pars{{1 \over 1 - x} + {1 \over x}}\,\dd x \\[3mm] \mbox{such that}\quad & \int\bracks{{1 \over 1 - x} + {\ln\pars{x} \over \pars{1 - x}^{2} }}\,\dd x = {\ln\pars{x} \over 1 - x} - \ln\pars{x} \\[3mm] \mbox{and}\quad & \left\lbrace\begin{array}{rcl} \ds{\lim_{x \to 1}\bracks{{\ln\pars{x} \over 1 - x} - \ln\pars{x}}} & \ds{=} & \ds{\color{#f00}{-1}} \\[2mm] \ds{\lim_{x \to 0^{+}}\bracks{{\ln\pars{x} \over 1 - x} - \ln\pars{x}}} & \ds{=} & \ds{\color{#f00}{0}} \end{array}\right. \\[3 mm] \imp\quad & \fbox{$\ds{\ J_{2} = \int_{0}^{1}\bracks{{1 \over 1 - x} + {\ln\pars{x} \\pars{1 - x}^{2} }}\,\dd x = \color{#f00}{-1} - \color{#f00}{0} = \color{#f00}{-1}\ }$}\etiqueta{3} \end{align}


Con $\pars{1}$, $\pars{2}$ y $\pars{3}$: $$ \color{#f00}{\int_{0}^{1}\ln\pars{x} \bracks{{1 \over \ln\pars{x}} + {1\over 1-x}}^{2}\,\dd x} = J_{1} + J_{2} = \color{#f00}{\gamma - 1} $$

8voto

Marco Cantarini Puntos 10794

Observe que$$ \int_{0}^{1}\left(\frac{1}{1-x}+\frac{\log\left(x\right)}{\left(1-x\right)^{2}}\right)dx\stackrel{x\rightarrow1-x}{=}\int_{0}^{1}\left(\frac{1}{x}+\frac{\log\left(1-x\right)}{x^{2}}\right)dx.$$ Fix $ 0 aquí.

5voto

Roger Hoover Puntos 56

Una sugerencia simple pero muy efectiva: siempre trate de trabajar con series / integrales convergentes cuando sea posible.

Estamos interesados ​​en:$$ \int_{0}^{1}\left(\frac{1}{\log x}+\frac{2}{1-x}+\frac{\log x}{(1-x)^2}\right)\,dx=\gamma+\int_{0}^{1}\left(\frac{1}{1-x}+\frac{\log x}{(1-x)^2}\right)\,dx $ $ y podemos notar que:$$\begin{eqnarray*} \int_{0}^{1}\left(\frac{1}{1-x}+\frac{\log x}{(1-x)^2}\right)\,dx &=& \int_{0}^{1}\frac{x+\log(1-x)}{x^2}\,dx\\&=&-\int_{0}^{1}\sum_{k\geq 2}\frac{x^{k-2}}{k}\,dx\\&=&-\sum_{k\geq 2}\frac{1}{k(k-1)} \\&=&-\sum_{k\geq 1}\left(\frac{1}{k}-\frac{1}{k+1}\right)=\color{blue}{-1}.\end{eqnarray*}$ $

Debemos ser extremadamente cuidadosos al tratar con series convergentes lentas: de lo contrario, el riesgo es demostrar$0=1$ o algo así.

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