Как оценить $\int_0^{\pi/2} x\ln^2(\sin x)\textrm{d}x$ по-другому?

Aug 19 2020

Следующая проблема

$$\int_0^{\pi/2} x\ln^2(\sin x)\textrm{d}x=\frac{1}{2}\ln^2(2)\zeta(2)-\frac{19}{32}\zeta(4)+\frac{1}{24}\ln^4(2)+\operatorname{Li}_4\left(\frac{1}{2}\right)\tag1$$

уже решена в этом решении.

Вопрос здесь в том , как доказать$(1)$ используя ряд Фурье

$$\tan x\ln(\sin x)=-\sum_{n=1}^\infty\left(\psi\left(\frac{n+1}{2}\right)-\psi\left(\frac{n}{2}\right)-\frac1n\right)\sin(2nx)$$

$$=-\sum_{n=1}^\infty\left(\int_0^1\frac{1-t}{1+t}t^{n-1}dt\right)\sin(2nx),\quad 0<x<\frac{\pi}{2}$$

Интересно, какие умные манипуляции нам нужно сделать, чтобы создать подынтегральное выражение в $(1)$. Я уверен, что это будет отличное решение.

Заранее спасибо.

Этот ряд Фурье можно найти в книге « Почти невозможные интегралы, суммы и ряды» , стр.$243$, Уравнение$(3.281)$.

Ответы

5 AliShadhar Aug 26 2020 at 14:04

Из здесь мы имеем

$$\frac23\arcsin^4x=\sum_{n=1}^\infty\frac{H_{n-1}^{(2)}(2x)^{2n}}{n^2{2n\choose n}}=\sum_{n=1}^\infty\frac{H_{n}^{(2)}(2x)^{2n}}{n^2{2n\choose n}}-\sum_{n=1}^\infty\frac{(2x)^{2n}}{n^4{2n\choose n}}$$

Набор $x=1$ мы получили

$$\sum_{n=1}^\infty\frac{4^n}{n^4{2n\choose n}}=\sum_{n=1}^\infty\frac{4^nH_{n}^{(2)}}{n^2{2n\choose n}}-\frac{15}{4}\zeta(4)\tag1$$

В этом вопросе мы показали$$\sum_{n=1}^\infty\frac{4^nH_n}{n^3{2n\choose n}}=-\sum_{n=1}^\infty\frac{4^nH_n^{(2)}}{n^2{2n\choose n}}+12\ln^2(2)\zeta(2)\tag2$$

Добавление $(1)$ и $(2)$ дает

$$\sum_{n=1}^\infty\frac{4^n}{n^4{2n\choose n}}=12\ln^2(2)\zeta(2)-\frac{15}{4}\zeta(4)-\sum_{n=1}^\infty\frac{4^nH_n}{n^3{2n\choose n}}$$

Используя ряд Фурье $\tan x\ln(\sin x)$, мы показали в этом решении :

$$\sum_{n=1}^\infty\frac{4^nH_n}{n^3{2n\choose n}}=-8\text{Li}_4\left(\frac12\right)+\zeta(4)+8\ln^2(2)\zeta(2)-\frac{1}{3}\ln^4(2)$$

подставляем этот результат получаем

$$\sum_{n=1}^\infty\frac{4^n}{n^4{2n\choose n}}=8\text{Li}_4\left(\frac12\right)-\frac{19}{4}\zeta(4)+4\ln^2(2)\zeta(2)+\frac{1}{3}\ln^4(2)\tag3$$

Теперь воспользуемся известным разложением в ряд $\arcsin^2 x$:

$$\arcsin^2(x)=\frac12\sum_{n=1}^\infty\frac{4^n x^{2n}}{n^2{2n\choose n}}$$

Умножьте обе стороны на $-\frac{\ln x}{x}$ тогда $\int_0^1$ и использовать это $-\int_0^1 x^{2n-1}\ln xdx=\frac{1}{4n^2}$ мы получили

$$\frac18\sum_{n=1}^\infty\frac{4^n}{n^4{2n\choose n}}=-\int_0^1\frac{\ln x\arcsin^2(x)}{x}dx$$

$$\overset{IBP}{=}\int_0^1\frac{\ln^2x\arcsin(x)}{\sqrt{1-x^2}}dx\overset{x=\sin\theta}{=}\int_0^{\pi/2}x\ln^2(\sin x)dx\tag4$$

Из $(3)$ и $(4)$ мы получаем

$$\int_0^{\pi/2} x\ln^2(\sin x)dx=\frac{1}{2}\ln^2(2)\zeta(2)-\frac{19}{32}\zeta(4)+\frac{1}{24}\ln^4(2)+\operatorname{Li}_4\left(\frac{1}{2}\right)$$

4 Paras Aug 23 2020 at 01:10

Чтобы решить этот интеграл, используйте следующий интеграл, который можно доказать с помощью контурного интегрирования.

$$\int_{0}^{\frac π 2}(\cos^{p-1}x )\cos(ax)dx=\frac{π}{2^p}\frac{\Gamma(p)}{\Gamma(\frac {p+a+1}{2})\Gamma(\frac {p-a+1}{2})}$$

При дифференцировании по $a$, мы получили

$$\int_{0}^{\frac π 2}x(\cos^{p-1}x )\sin(ax)dx=\frac{π}{2^p}\Gamma(p)\frac{\psi(\frac {p+a+1}{2})-\psi(\frac {p-a+1}{2})}{\Gamma(\frac {p+a+1}{2})\Gamma(\frac {p-a+1}{2})}$$

где $p>0$ и $ -(p+1)<a<(p+1)$ и $\Gamma(x)$ и $\psi(x)$ - гамма и дигамма-функции. $p_1=(\frac {p+a+1}{2})$ и $p_2=(\frac {p-a+1}{2})$.О дифференциации приведенного выше уравнения.

$$\frac{\partial }{\partial a}I(a,p)=\frac{π}{2^{p+1}}\frac{\Gamma(p)}{\Gamma(p_1)\Gamma(p_2)}[-(\psi(p_1)-\psi(p_2))^2+\psi'(p_1)+\psi'(p_2)]$$$$=\int_{0}^{\frac π 2}x^2(cos^{p-1}x )\cos(ax)dx$$

При установке $a=0$, мы получили

$$J_p=\int_{0}^{\frac π 2}x^2(\cos^{p-1}x )dx=\frac{π}{2^{p+1}}\frac{\Gamma(p)}{\Gamma^2(\frac{p+1}{2})}\psi'(\frac{p+1}{2})$$

Снова дифференцируя по параметру $p$ ,мы получили

$$\frac d {dp}J_p=\int_{0}^{\frac π 2}x^2(\cos^{p-1}x)\log(\cos x)dx=\frac{π}{2^{p+1}}\frac{\Gamma(p)}{\Gamma^2(\frac{p+1}{2})}\psi'(\frac{p+1}{2})[-\log2+\psi(p)-\psi(\frac{p+1}{2})+\frac {\psi''(\frac{p+1}{2})}{\psi'(\frac{p+1}{2})}$$

Из вышеприведенного интеграла мы также можем вычислить нижний интеграл, положив $p=1$.

$$\int_{0}^{\frac π 2}x^2\log(\cos x)dx=\frac{π^3}{24}[-\log2+\frac{\psi''(1)}{\psi'(1)}]=-\frac{π^3}{24}\log2-\fracπ2 \zeta(3)$$

В настоящее время, $$J''_p=\int_{0}^{\frac π 2}x^2(\cos^{p-1}x)\log^2(\cos x)dx=\frac{π}{2^{p+1}}\frac{\Gamma(p)}{\Gamma^2(\frac{p+1}{2})}\psi'(\frac{p+1}{2}) \left ( \left ( [-\log2+\psi(p)-\psi(\frac{p+1}{2})+\frac {\psi''(\frac{p+1}{2})}{\psi'(\frac{p+1}{2})} \right )^2+\psi'(p)-\frac12\psi'(\frac{p+1}{2})+\frac12\frac d {dp}\frac {\psi''(\frac{p+1}{2})}{\psi'(\frac{p+1}{2})} \right ) $$

При сдаче $p=1$ ,мы получили

$$\int_{0}^{\fracπ2}x^2\log^2(\cos x)dx=\fracπ {1440}[11π^4+60π^2\log^2 2+720\zeta(3)\log2]$$

Теперь вы можете получить желаемый интеграл, используя все вышеперечисленные интегралы, но это длительная задача, поскольку она включает в себя некоторые другие интегралы, которые будут создавать полилогарифмы, а член, содержащий $ \zeta(3)$ отменим.