Un duro integral : $\int_{0}^{\infty }\frac{\sin x \text{ or} \cos x}{\sqrt{x^{2}+z^{2}}}\ln\left ( x^{2}+z^{2} \right )\mathrm{d}x$

Question

Recientemente, encontré estas dos interesantes integrales en Manual de funciones especiales página 141. $$\mathcal{I}=\int_{0}^{\infty }\frac{\sin(ax)}{\sqrt{x^{2}+z^{2}}}\ln\left ( x^{2}+z^{2} \right )\mathrm{d}x$$ $$\mathcal{J}=\int_{0}^{\infty }\frac{\cos(ax)}{\sqrt{x^{2}+z^{2}}}\ln\left ( x^{2}+z^{2} \right )\mathrm{d}x$$ En este libro, da la respuesta a continuación $$\mathcal{I}=\frac{\pi }{2}\left (\ln\frac{z}{2a}-\gamma \right )\left [ I_0\left ( az \right )- \mathbf{L}_0\left ( az \right )\right ]+\frac{1}{4\pi }G_{24}^{32}\left ( \frac{a^{2}z^{2}}{4}\middle|\begin{matrix} \dfrac{1}{2},\dfrac{1}{2} \\ 0,0,\dfrac{1}{2},\dfrac{1}{2} \end{matrix} \right )~,~\left (a,\Re z>0 \right )$$ $$\mathcal{J}=\left ( \ln\frac{z}{2a}-\gamma \right )K_0\left ( az \right )~,~\left ( a,\Re z>0 \right )$$ donde $I_0(\cdot)$ es función de bessel modificada del primer tipo , $\mathbf{L}_0(\cdot)$ es función struve modificada , $G_{pq}^{mn}(\cdot)$ es función meijer-G y $K_0(\cdot)$ es una función de Bessel del segundo tipo.

Así que traté de averiguar cómo obtener la respuesta.

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Mi intento: Dejemos que $x=z\tan t$ tenemos \begin{align*} \mathcal{I}&=2\int_{0}^{\frac{\pi }{2}}\sin\left ( az\tan t \right )\ln\left ( z\sec t \right )\sec t\, \mathrm{d}t\\ &=2\int_{0}^{\frac{\pi }{2}}\sin\left ( az\tan t \right )\ln\left ( \sec t \right )\sec t\, \mathrm{d}t+2\ln z\int_{0}^{\frac{\pi }{2}}\sin\left ( az\tan t \right )\sec t\, \mathrm{d}t \end{align*} Por lo tanto, defina $$\mathcal{I}\left ( m \right )=\int_{0}^{\frac{\pi }{2}}\sin\left ( az\tan t \right )\sec^mt\, \mathrm{d}t$$ entonces usando la serie taylor de $\sin x$ obtenemos \begin{align*} \mathcal{I}\left ( m \right )&=\sum_{k=0}^{\infty }\left ( -1 \right )^{k}\frac{\left ( az \right )^{2k+1}}{\left ( 2k+1 \right )!}\int_{0}^{\frac{\pi }{2}}\tan^{2k+1}t\sec^mt\, \mathrm{d}t \\ &=\sum_{k=0}^{\infty }\left ( -1 \right )^{k}\frac{\left ( az \right )^{2k+1}}{\left ( 2k+1 \right )!}\int_{0}^{\frac{\pi }{2}}\sin^{2k+1}t\cos^{-2k-m-1}t\, \mathrm{d}t \end{align*} Utilizando la misma forma obtenemos $$\begin{align*} \mathcal{J}\left ( m \right )&=\sum_{k=0}^{\infty }\left ( -1 \right )^{k}\frac{\left ( az \right )^{2k}}{\left ( 2k \right )!}\int_{0}^{\frac{\pi }{2}}\tan^{2k}t\sec^mt\, \mathrm{d}t \\ &=\sum_{k=0}^{\infty }\left ( -1 \right )^{k}\frac{\left ( az \right )^{2k}}{\left ( 2k \right )!}\int_{0}^{\frac{\pi }{2}}\sin^{2k}t\cos^{-2k-m}t\, \mathrm{d}t \end{align*}$$ Pero cómo evaluar la última integral, parece que no puede ser expresada por la función Beta.

Si lo estoy haciendo mal, ¿hay otra forma de resolver el problema?

Se agradecerá cualquier ayuda.

Answer 1

Para la segunda integral

Tenga en cuenta que

$$ K_\nu(az)=\frac{\Gamma(\nu+1/2)(2z/a)^\nu}{\sqrt{\pi}}\int_0^\infty\frac{\cos at }{(t^2+z^2)^{\nu+1/2}} dt$$

Por diferenciación con respecto a $\nu$

\begin{align} \frac{\partial K_\nu(az)}{ \partial \nu} &=(\Gamma'(\nu+1/2)+\log(2z/a) )K_\nu(az)\\&-\frac{\Gamma(\nu+1/2)(2z/a)^\nu}{\sqrt{\pi}}\int_0^\infty\frac{\cos a t }{(t^2+z^2)^{\nu+1/2}} \log(x^2+z^2)dt \end{align}

Tenga en cuenta que en

$$\left|\frac{\partial K_\nu(z)}{ \partial \nu} \right|_{\nu=0} = 0$$

Esto implica

$$\int_0^\infty\frac{\cos a t }{\sqrt{t^2+z^2)}} \log(x^2+z^2)\,dt = (\Gamma'(1/2)+\log(2z/a) )K_0(az) $$

Tenga en cuenta que

$$\Gamma'(1/2)+\log(2z/a) = -\gamma -2\log(2)+\log(2)+\log(z/a) =\log(z/2a) -\gamma$$

Por lo tanto,

$$\mathcal{J}=\left ( \log (z/2a)-\gamma \right )K_0\left ( az \right )$$

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Apéndice

$$K_\nu (z) = \int^\infty_0 e^{-z\cosh t} \cosh(\nu t)\,dt$$

Esto implica

$$\frac{\partial K_\nu(z)}{ \partial \nu} = \int^\infty_0t e^{-z\cosh t} \sinh(\nu t)\,dt$$

Por lo tanto, tenemos

$$\left|\frac{\partial K_\nu(z)}{ \partial \nu} \right|_{\nu=0} = 0$$