ολοκλήρωμα

Συντονιστές: grigkost, Κοτρώνης Αναστάσιος

thepathofresistance
Δημοσιεύσεις: 22
Εγγραφή: Τρί Ιουν 14, 2011 2:56 am

ολοκλήρωμα

#1

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από thepathofresistance » Τρί Απρ 02, 2013 3:35 am

\int_{0}^{1}\int_{0}^{1}\frac{ln\left ( 2-xy \right )}{1-xy}dxdy


Άβαταρ μέλους
Σεραφείμ
Επιμελητής
Δημοσιεύσεις: 1872
Εγγραφή: Τετ Μάιος 20, 2009 9:14 am
Τοποθεσία: Θεσσαλονίκη - Γιάννενα

Re: ολοκλήρωμα

#2

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από Σεραφείμ » Σάβ Μάιος 04, 2013 7:57 pm

thepathofresistance έγραψε:\displaystyle{\int_{0}^{1}\int_{0}^{1}\frac{ln\left ( 2-xy \right )}{1-xy}dxdy}
Λήμμα 1 : Αν \displaystyle{{H_n} = \sum\limits_{k = 1}^n {\frac{1}{k}} } (αρμονικός) τότε \displaystyle{\frac{{{H_n}}}{n} =  - \int\limits_0^1 {{x^{n - 1}}\log \left( {1 - x} \right)dx} } διότι
\displaystyle{{H_n} = \sum\limits_{k = 1}^n {\frac{1}{k}}  = \sum\limits_{k = 1}^n {\int\limits_0^1 {{x^{k - 1}}dx} }  = \int\limits_0^1 {\sum\limits_{k = 1}^n {{x^{k - 1}}} dx}  = \int\limits_0^1 {\frac{{1 - {x^n}}}{{1 - x}}dx}  =  - \int\limits_0^1 {\left( {1 - {x^n}} \right)\left( {\log \left( {1 - x} \right)} \right)'dx}  =  - n\int\limits_0^1 {{x^{n - 1}}\log \left( {1 - x} \right)dx} }

Λήμμα 2 : \displaystyle{\log \left( {1 - x} \right)\log \left( {1 + x} \right) = \frac{1}{2}\left( {{{\log }^2}\left( {1 - {x^2}} \right) - {{\log }^2}\left( {1 - x} \right) - {{\log }^2}\left( {1 + x} \right)} \right)} (φανερό).

Λήμμα 3 : \displaystyle{\int\limits_0^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( {1 - {x^2}} \right)}}{x}dx = \frac{1}{2}} \int\limits_0^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( {1 - x} \right)}}{x}dx} } .. εύκολο με τον μετασχηματισμό \displaystyle{x = \sqrt y }

Στο θέμα μας.

\displaystyle{I = \int\limits_0^1 {\int\limits_0^1 {\frac{{\log \left( {2 - xy} \right)}}{{1 - xy}}dx} dy}  = \int\limits_0^1 {\int\limits_0^1 {\frac{{\log \left( {1 + 1 - xy} \right)}}{{1 - xy}}dx} dy}  = \int\limits_0^1 {\left( {\int\limits_0^1 {\frac{1}{{1 - xy}}\sum\limits_{n = 0}^\infty  {{{\left( { - 1} \right)}^n}\frac{{{{\left( {1 - xy} \right)}^{n + 1}}}}{{n + 1}}} \,dx} } \right)dy}  = \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^n}}}{{n + 1}}\int\limits_0^1 {\int\limits_0^1 {{{\left( {1 - xy} \right)}^n}dx} dy} } }

\displaystyle{ = \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^n}}}{{n + 1}}\int\limits_0^1 {\left( { - \frac{1}{{y\left( {n + 1} \right)}}\left[ {{{\left( {1 - xy} \right)}^{n + 1}}} \right]_{x = 0}^{x = 1}} \right)dy} }  = \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^n}}}{{{{\left( {n + 1} \right)}^2}}}\int\limits_0^1 {\left( {\frac{1}{y}\left( {1 - {{\left( {1 - y} \right)}^{n + 1}}} \right)} \right)dy} }  = \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^n}}}{{{{\left( {n + 1} \right)}^2}}}\int\limits_0^1 {\left( {\sum\limits_{k = 0}^n {{{\left( {1 - y} \right)}^k}} } \right)dy} } }

\displaystyle{ = \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^n}}}{{{{\left( {n + 1} \right)}^2}}}\sum\limits_{k = 0}^n {\int\limits_0^1 {{{\left( {1 - y} \right)}^k}dy} } }  = \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^n}}}{{{{\left( {n + 1} \right)}^2}}}\sum\limits_{k = 0}^n {\int\limits_0^1 {{y^k}dy} } }  = \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^n}}}{{{{\left( {n + 1} \right)}^2}}}\sum\limits_{k = 0}^n {\frac{1}{{k + 1}}} }  = \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^n}{H_{n + 1}}}}{{{{\left( {n + 1} \right)}^2}}}}  = \sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}{H_n}}}{{{n^2}}}}  = }

\displaystyle{ = \mathop  = \limits^{Lemma\;1}  =  - \sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}}}{n}\int\limits_0^1 {{x^{n - 1}}\log \left( {1 - x} \right)dx}  = }  - \int\limits_0^1 {\log \left( {1 - x} \right)\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}{x^{n - 1}}}}{n}\,} dx}  =  - \int\limits_0^1 {\frac{{\log \left( {1 - x} \right)\log \left( {1 + x} \right)}}{x}dx}  \Rightarrow }

\displaystyle{ \Rightarrow \mathop  \Rightarrow \limits^{Lemma\;2,3}  \Rightarrow I = \frac{1}{4}\int\limits_0^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( {1 - x} \right)}}{x}dx}  + \frac{1}{2}\int\limits_0^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( {1 + x} \right)}}{x}dx} }

Όμως \displaystyle{\int\limits_0^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( {1 - x} \right)}}{x}dx}  = \int\limits_0^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( x \right)}}{{1 - x}}dx}  = \int\limits_0^1 {{{\log }^2}\left( x \right)\sum\limits_{n = 0}^\infty  {{x^n}} dx}  = \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\int\limits_0^1 {{x^n}{{\log }^2}\left( x \right)dx} }  = .. = 2\sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{1}{{{{\left( {n + 1} \right)}^3}}}}  = 2 \cdot \zeta \left( 3 \right)}

και \displaystyle{\int\limits_0^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( {1 + x} \right)}}{x}dx}  = \mathop  = \limits^{1 + x = y}  = \int\limits_1^2 {\frac{{{{\log }^2}\left( y \right)}}{{y - 1}}dy}  = \mathop  = \limits^{y = 1/x}  = \int\limits_{1/2}^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( x \right)}}{{x\left( {1 - x} \right)}}dx}  = \int\limits_{1/2}^1 {{{\log }^2}\left( x \right)\left( {\frac{1}{x} + \frac{1}{{1 - x}}} \right)dx}  = \int\limits_{1/2}^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( x \right)}}{x}dx}  + }

\displaystyle{ + \int\limits_{1/2}^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( x \right)}}{{1 - x}}dx}  = \frac{{{{\log }^3}2}}{3} + \int\limits_{1/2}^1 {{{\log }^2}\left( x \right)\sum\limits_{n = 0}^\infty  {{x^n}} dx}  = \frac{{{{\log }^3}2}}{3} + \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\int\limits_{1/2}^1 {{{\log }^2}\left( x \right){x^n}dx} } }
Με κλασσική παραγοντική ολοκλήρωση βρίσκουμε ότι \displaystyle{\sum\limits_{n = 0}^\infty  {\int\limits_{1/2}^1 {{{\log }^2}\left( x \right){x^n}dx} }  = 2 \cdot \zeta \left( 3 \right) - {\log ^3}2 - 2\log 2 \cdot L{i_2}\left( {\frac{1}{2}} \right) - 2 \cdot L{i_3}\left( {\frac{1}{2}} \right)}

όπου \displaystyle{L{i_2}\left( x \right) = \sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{x^n}}}{{{n^2}}}} } και \displaystyle{L{i_3}\left( x \right) = \sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{x^n}}}{{{n^3}}}} } . Μέσω των συναρτησιακών σχέσεων για τις \displaystyle{L{i_2}} και \displaystyle{L{i_3}} που αναλύθηκαν αποδείχθηκαν εδώ viewtopic.php?f=9&t=12954&p=72038&hilit ... kel#p72038 (Πρόβλημα Νο 9), βρίσκουμε ότι \displaystyle{L{i_2}\left( {\frac{1}{2}} \right) = \frac{{{\pi ^2}}}{{12}} - \frac{1}{2} \cdot {\log ^2}2} και \displaystyle{L{i_3}\left( {\frac{1}{2}} \right) = \frac{7}{8}\zeta \left( 3 \right) - \frac{{{\pi ^2}}}{{12}}\log 2 + \frac{1}{6} \cdot {\log ^3}2}

Συμμαζεύοντας τα παραπάνω έχουμε \displaystyle{\int\limits_0^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( {1 + x} \right)}}{x}dx}  = \frac{1}{4} \cdot \zeta \left( 3 \right)}

και τελικά \displaystyle{I = \frac{1}{4}\int\limits_0^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( {1 - x} \right)}}{x}dx}  + \frac{1}{2}\int\limits_0^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( {1 + x} \right)}}{x}dx}  = \frac{1}{2}\zeta \left( 3 \right) + \frac{1}{8}\zeta \left( 3 \right) = \frac{5}{8}\zeta \left( 3 \right)}

------------------------------------------------------------------------

Σχόλια :

1) Από τον Euler έχει αποδειχθεί ότι \displaystyle{\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{H_n}}}{{{n^2}}}}  = 2\zeta \left( 3 \right)} . Στο παρόν προκύπτει ότι \displaystyle{\sum\limits_{n = 1}^\infty  {{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}\frac{{{H_n}}}{{{n^2}}}}  = \frac{5}{8}\zeta \left( 3 \right)}

2) Πολύ θα ήθελα να δω μια στοιχειωδέστερη απόδειξη του \displaystyle{\int\limits_0^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( {1 + x} \right)}}{x}dx}  = \frac{1}{4} \cdot \zeta \left( 3 \right)} (χωρίς πολυλογαριθμικές συναρτήσεις)

3) Πολύ δύσκολο θέμα εκτός κι αν πήρα λάθος δρόμο.


Σεραφείμ Τσιπέλης
Απάντηση

Επιστροφή σε “ΑΝΑΛΥΣΗ”

Μέλη σε σύνδεση

Μέλη σε αυτήν τη Δ. Συζήτηση: Δεν υπάρχουν εγγεγραμμένα μέλη και 1 επισκέπτης