Τόξο εφαπτομένης - Άθροισμα και Ολοκήρωμα

Συντονιστές: grigkost, Κοτρώνης Αναστάσιος

Άβαταρ μέλους
Κοτρώνης Αναστάσιος
Επιμελητής
Δημοσιεύσεις: 3203
Εγγραφή: Κυρ Φεβ 22, 2009 11:11 pm
Τοποθεσία: Μπροστά στο πισί...
Επικοινωνία:

Τόξο εφαπτομένης - Άθροισμα και Ολοκήρωμα

#1

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από Κοτρώνης Αναστάσιος » Τετ Νοέμ 25, 2015 8:33 pm

Για n θετικό ακέραιο έστω \displaystyle{I_n:=\int_{0}^{+\infty}\frac{\arctan x}{(1+x^2)^n}\,dx}.

Ας δειχθεί ότι:

1) \displaystyle{\sum_{n\geq1}\frac{I_n}{n}=\zeta(2)} και

2) \displaystyle{\int_{0}^{+\infty}\arctan x\ln\left(1+\frac{1}{x^2}\right)\,dx=\zeta(2)}.
Κι αυτό του Furdui.


Εσύ....; Θα γίνεις κανίβαλος....;
Άβαταρ μέλους
Σεραφείμ
Επιμελητής
Δημοσιεύσεις: 1872
Εγγραφή: Τετ Μάιος 20, 2009 9:14 am
Τοποθεσία: Θεσσαλονίκη - Γιάννενα

Re: Τόξο εφαπτομένης - Άθροισμα και Ολοκήρωμα

#2

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από Σεραφείμ » Σάβ Νοέμ 28, 2015 8:33 am

Κοτρώνης Αναστάσιος έγραψε:Για n θετικό ακέραιο έστω \displaystyle{I_n:=\int_{0}^{+\infty}\frac{\arctan x}{(1+x^2)^n}\,dx}. Ας δειχθεί ότι: 1) \displaystyle{\sum_{n\geq1}\frac{I_n}{n}=\zeta(2)} και 2) \displaystyle{\int_{0}^{+\infty}\arctan x\ln\left(1+\frac{1}{x^2}\right)\,dx=\zeta(2)}.
Πρώτα το δεύτερο ολοκλήρωμα
\displaystyle{I = \int\limits_0^\infty  {\arctan x\log \left( {1 + \frac{1}{{{x^2}}}} \right)dx}  = \int\limits_0^1 {\arctan x\log \left( {1 + \frac{1}{{{x^2}}}} \right)dx}  + \underbrace {\int\limits_1^\infty  {\arctan x\log \left( {1 + \frac{1}{{{x^2}}}} \right)dx} }_{x \to 1/x} = }
\displaystyle{ = \int\limits_0^1 {\arctan x\log \left( {\frac{{{x^2} + 1}}{{{x^2}}}} \right)dx}  + \int\limits_0^1 {\left( {\frac{\pi }{2} - \arctan x} \right)\frac{{\log \left( {{x^2} + 1} \right)}}{{{x^2}}}dx}  = }

\displaystyle{ = \underbrace {\int\limits_0^1 {\arctan x\log \left( {{x^2} + 1} \right)dx} }_{{I_1}} - \underbrace {\int\limits_0^1 {\arctan x\log \left( {{x^2}} \right)dx} }_{{I_2}} + } \displaystyle{\frac{\pi }{2}\underbrace {\int\limits_0^1 {\frac{{\log \left( {{x^2} + 1} \right)}}{{{x^2}}}dx} }_{{I_3}} - \underbrace {\int\limits_0^1 {\frac{{\arctan x\log \left( {{x^2} + 1} \right)}}{{{x^2}}}dx} }_{{I_4}}}

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

Λήμμα \displaystyle{\int\limits_0^1 {\arctan x \cdot \log \left( {1 + {x^2}} \right)dx}  = {\mathop{\rm Im}\nolimits} \left( {\int\limits_0^1 {{{\log }^2}\left( {1 + ix} \right)dx} } \right)} και \displaystyle{\int\limits_0^1 {\frac{{\arctan x \cdot \log \left( {1 + {x^2}} \right)}}{{{x^2}}}dx}  = {\mathop{\rm Im}\nolimits} \left( {\int\limits_0^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( {1 + ix} \right)}}{{{x^2}}}dx} } \right)}

Διότι \displaystyle{\int\limits_0^1 {{{\log }^2}\left( {1 + ix} \right)dx}  = \int\limits_0^1 {{{\log }^2}\left( {\sqrt {1 + {x^2}}  \cdot {e^{i \cdot arc\tan x}}} \right)dx}  = \int\limits_0^1 {{{\left( {\frac{1}{2}\log \left( {1 + {x^2}} \right) + i \cdot \arctan x} \right)}^2}dx}  = }

\displaystyle{ = A + i\int\limits_0^1 {\log \left( {1 + {x^2}} \right) \cdot \arctan x\;dx}  \Rightarrow \int\limits_0^1 {\arctan x\log \left( {1 + {x^2}} \right)\;dx}  = {\mathop{\rm Im}\nolimits} \left( {\int\limits_0^1 {{{\log }^2}\left( {1 + ix} \right)dx} } \right)} .. όμοια και το δεύτερο.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Υπολογισμοί:
\displaystyle{\int\limits_0^1 {{{\log }^2}\left( {1 + ix} \right)dx}  = \mathop  = \limits^{1 + ix = y}  =  - i\int\limits_1^{1 + i} {{{\log }^2}\left( y \right)dy}  =  - i\left[ {2y - 2y\log y + y{{\log }^2}y} \right]_1^{1 + i} = }

\displaystyle{ = .. = \left( {2 - \log 2 - \frac{\pi }{2} + \frac{\pi }{4}\log 2 + \frac{1}{4}{{\log }^2}2 - \frac{{{\pi ^2}}}{{16}}} \right) + i\left( {\log 2 - \frac{\pi }{2} - \frac{1}{4}{{\log }^2}2 + \frac{{{\pi ^2}}}{{16}} + \frac{\pi }{4}\log 2} \right) \Rightarrow }

\displaystyle{ \Rightarrow {I_1} = \int\limits_0^1 {\log \left( {1 + {x^2}} \right) \cdot \arctan x\;dx}  = {\mathop{\rm Im}\nolimits} \left( {\int\limits_0^1 {{{\log }^2}\left( {1 + ix} \right)dx} } \right) = \log 2 - \frac{\pi }{2} - \frac{1}{4}{\log ^2}2 + \frac{{{\pi ^2}}}{{16}} + \frac{\pi }{4}\log 2}

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

\displaystyle{\int\limits_0^1 {\arctan x\log \left( {{x^2}} \right)dx}  = 2\int\limits_0^1 {\arctan x\log \left( x \right)dx}  = } \displaystyle{2\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}}}{{2n - 1}}\int\limits_0^1 {\log \left( x \right){x^{2n - 1}}dx} }  =  - \frac{1}{2}\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}}}{{\left( {2n - 1} \right){n^2}}}}  = }

\displaystyle{ =  - \sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}}}{n}\left( {\frac{1}{{2n - 1}} - \frac{1}{{2n}}} \right)}  =  - \sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}}}{{n\left( {2n - 1} \right)}}}  + \frac{1}{2}\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}}}{{{n^2}}}} } \displaystyle{ =  - 2\sum\limits_{n = 1}^\infty  {{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}\left( {\frac{1}{{2n - 1}} - \frac{1}{{2n}}} \right)}  + \frac{{{\pi ^2}}}{{24}} = }

\displaystyle{ =  - 2\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}}}{{2n - 1}}}  + \sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}}}{n}}  + \frac{{{\pi ^2}}}{{24}} \Rightarrow } \displaystyle{{I_2} = \int\limits_0^1 {\arctan x\log \left( {{x^2}} \right)dx}  =  - \frac{\pi }{2} + \log 2 + \frac{{{\pi ^2}}}{{24}}}

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

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

\displaystyle{ = 2\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}}}{{2n - 1}}}  - \sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}}}{n}}  \Rightarrow {I_3} = \int\limits_0^1 {\frac{{\log \left( {1 + {x^2}} \right)}}{{{x^2}}}dx}  = \frac{\pi }{2} - \log 2}

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

\displaystyle{\int\limits_0^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( {1 + ix} \right)}}{{{x^2}}}dx}  = \mathop  = \limits^{1 + ix = y}  = i\int\limits_1^{1 + i} {\frac{{{{\log }^2}y}}{{{y^2}{{\left( {1 - 1/y} \right)}^2}}}dy}  = } \displaystyle{i\int\limits_1^{1 + i} {{{\log }^2}y\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{n}{{{y^{n + 1}}}}\;} dy}  = i\sum\limits_{n = 1}^\infty  {n\int\limits_1^{1 + i} {\frac{{{{\log }^2}y}}{{{y^{n + 1}}}}dy} }  = }

\displaystyle{ = i\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\left( {\frac{2}{{{n^2}}} + \frac{{ - 2}}{{{n^2}{{\left( {1 + i} \right)}^n}}} - \frac{{2\log \left( {1 + i} \right)}}{{n{{\left( {1 + i} \right)}^n}}} - \frac{{{{\log }^2}\left( {1 + i} \right)}}{{{{\left( {1 + i} \right)}^n}}}} \right)}  = } \displaystyle{i\frac{{{\pi ^2}}}{3} - 2i \cdot L{i_2}\left( {\frac{1}{{1 + i}}} \right) - 2i\log \left( {1 + i} \right)\log \left( {1 - \frac{1}{{1 + i}}} \right) - }

\displaystyle{ - {\log ^2}\left( {1 + i} \right) \Rightarrow .. \Rightarrow {I_4} = \int\limits_0^1 {\arctan x\frac{{\log \left( {1 + {x^2}} \right)}}{{{x^2}}}dx}  = } \displaystyle{{\mathop{\rm Im}\nolimits} \left( {\int\limits_0^1 {\frac{{{{\log }^2}\left( {1 + ix} \right)}}{{{x^2}}}dx} } \right) =  - \frac{\pi }{4}\log 2 + \frac{5}{{48}}{\pi ^2} - \frac{1}{4}{\log ^2}2}

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

Συμμαζεύοντας όλα τα παραπάνω έχουμε \displaystyle{I = \int\limits_0^\infty  {\arctan x\log \left( {1 + \frac{1}{{{x^2}}}} \right)dx}  = {I_1} - {I_2} + \frac{\pi }{2}{I_3} - {I_4} = \frac{{{\pi ^2}}}{6} = \zeta \left( 2 \right)} :)


Αναφορικά με το πρώτο έχουμε \displaystyle{\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{I_n}}}{n}}  = \int\limits_0^\infty  {\arctan x\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{1}{{n{{\left( {1 + {x^2}} \right)}^n}}}} \;dx}  =  - \int\limits_0^\infty  {\arctan x\log \left( {1 - \frac{1}{{1 + {x^2}}}} \right)dx} } \displaystyle{ =  - \int\limits_0^\infty  {\arctan x\log \frac{{{x^2}}}{{1 + {x^2}}}dx}  = }

\displaystyle{ = \int\limits_0^\infty  {\arctan x\log \frac{{{x^2} + 1}}{{{x^2}}}dx}  = \int\limits_0^\infty  {\arctan x\log \left( {1 + \frac{1}{{{x^2}}}} \right)dx}  = I = \zeta \left( 2 \right)} :)


Πήρα την ανάποδη σειρά γιατί το πρώτο ολοκλήρωμα με οδηγούσε μονοσήμαντα στο δεύτερο .. δεν βρήκα άλλο δρόμο υπολογισμού του πρώτου .. ας είναι ..



Σεραφείμ Τσιπέλης
Άβαταρ μέλους
Κοτρώνης Αναστάσιος
Επιμελητής
Δημοσιεύσεις: 3203
Εγγραφή: Κυρ Φεβ 22, 2009 11:11 pm
Τοποθεσία: Μπροστά στο πισί...
Επικοινωνία:

Re: Τόξο εφαπτομένης - Άθροισμα και Ολοκήρωμα

#3

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από Κοτρώνης Αναστάσιος » Κυρ Νοέμ 29, 2015 2:01 pm

Γεια σου Σεραφείμ!

Εδώ μια άλλη λύση κι εδώ οι δημοσιευμένες. Είναι το 5360 το SSM.


Εσύ....; Θα γίνεις κανίβαλος....;
Απάντηση

Επιστροφή σε “ΑΝΑΛΥΣΗ”

Μέλη σε σύνδεση

Μέλη σε αυτήν τη Δ. Συζήτηση: Δεν υπάρχουν εγγεγραμμένα μέλη και 5 επισκέπτες