Encuentra la forma cerrada de la integral cuádruple

Estoy tratando de encontrar una forma cerrada de la siguiente integral

0 0 X 0 y 0 z Exp ( a X 2 2 b y 2 2 C z 2 2 d w 2 2 ) d w d z d y d X
dónde a , b , C , d > 0 son algunas constantes.

Mi idea es cambiar variable a sistema polar dejando

X = r porque ( α ) porque ( β ) porque ( θ ) a , y = r porque ( α ) porque ( β ) pecado ( θ ) a
z = r pecado ( α ) porque ( β ) C , w = r pecado ( β ) d

Esto reduce la integral original a

0 broncearse 1 ( b a ) pecado ( θ ) broncearse 1 ( pecado ( θ ) d b + C pecado 2 ( θ ) ) a b d ( b + C pecado 2 ( θ ) ) d θ
Pero luego me quedo atascado aquí.


PD: Me interesa esto porque descubrí que

0 0 X Exp ( a X 2 2 b y 2 2 ) d y d X = broncearse 1 ( b a ) a b
y
0 0 X 0 y Exp ( a X 2 2 b y 2 2 C z 2 2 ) d z d y d X = π / 2 a b C ( broncearse 1 ( C b ) broncearse 1 ( a C b ( a + b + C ) ) )
Así que estoy tratando de generalizar esto. ¿Quizás esto ya se sabe?

Al menos para todas las constantes iguales a 1 Wolfram Alpha afirma que la respuesta es π 2 96 .
Bueno, del patrón deduzco que debe haber un broncearse 1 ( d C ) a b C d término...

Respuestas (4)

Definir:

I ( a , b , C , d ) := 0 broncearse 1 ( b a ) pecado ( θ ) broncearse 1 ( pecado ( θ ) d b + C pecado 2 ( θ ) ) a b d ( b + C pecado 2 ( θ ) ) d θ ( i )
Luego también define:

F a , b ( A , B ) := A B registro ( z + a ) z + b d z = F [ B , a , b ] F [ A , a , b ] + 1 t ( 0 , 1 ) ( F [ A + ( t + ϵ ) ( B A ) , a , b ] + F [ A + ( t ϵ ) ( B A ) , a , b ] ) ( i i )
dónde
t := I metro [ ( A + b ) ( b a ) ] I metro [ ( B A ) ( b a ) ]
y
F [ z , a , b ] := registro ( z + a ) registro ( z + b b a ) + L i 2 ( z + a a b )
para a , b , A , B siendo complejo.

Entonces nosotros tenemos:

I ( a , b , C , d ) = 1 a 0 d a + b + C tu broncearse 1 ( tu ) ( d C tu 2 ) d tu 2 ( b + C ) d tu = d a ( b + C ) 0 pecado 1 ( b + C a + b + C ) pecado ( ϕ ) broncearse 1 ( pecado ( ϕ ) d b + C ) d C d pecado 2 ( ϕ ) b + C d ϕ = 2 i a d 0 b + C a + b + C a a + b + C + 1 t b ( t 2 + 1 ) 2 + C ( t 2 1 ) 2 registro ( 2 i t d b + C + t 2 + 1 2 i t d b + C + t 2 + 1 ) d t = 1 4 1 a b C d ξ = 1 4 η = 1 4 ( 1 ) η 1 2 + ξ 1 2 0 b + C a + b + C a a + b + C + 1 registro ( i ( 1 ) ξ 1 2 d b + C + i ( 1 ) ξ 1 b + C + d b + C + t ) t i ( 1 ) η 1 2 + η + 1 mi i ( 1 ) η 1 2 broncearse 1 ( C b ) d t = 1 4 1 a b C d ξ = 1 4 η = 1 4 ( 1 ) η 1 2 + ξ 1 2 F i ( 1 ) ξ 1 2 d b + C + i ( 1 ) ξ 1 b + C + d b + C , i ( 1 ) η 1 2 + η + 1 mi i ( 1 ) η 1 2 broncearse 1 ( C b ) ( 0 , b + C a + b + C a a + b + C + 1 )

En la línea superior sustituimos tu = pecado ( θ ) d / ( b + C pecado ( θ ) 2 ) . En la segunda línea sustituimos tu = d / ( C + b ) pecado ( ϕ ) . En la tercera línea sustituimos t = broncearse ( ϕ / 2 ) . En la cuarta línea usamos descomposición en fracciones parciales y propiedades del logaritmo. Finalmente en la quinta línea usamos la antiderivada definida en ( i i ) .

Clear[F]; Clear[FF];
F[z_, a_, b_] := 
  Log[a + z] Log[(b + z)/(-a + b)] + PolyLog[2, (a + z)/(a - b)];
FF[A_, B_, a_, b_] := 
  Module[{result, ts, zs, zsp, zsm, eps = 10^(-15)},
   (*This is Integrate[Log[z+a]/(z+b),{z,A,B}] where all a,b,A, 
   and B are complex. *)
   result = F[B, a, b] - F[A, a, b];


   ts = - (Im[(A + b) (Conjugate[b] - Conjugate[a])]/
     Im[(B - A) (Conjugate[b] - Conjugate[a])]);
   If[0 <= ts <= 1,
    zsp = A + (ts + eps) (B - A);
    zsm = A + (ts - eps) (B - A);
    result += -F[zsp, a, b] + F[zsm, a, b];
    ];

   result
   ];

{a, b, c, d} = RandomReal[{0, 3}, 4, WorkingPrecision -> 50];
NIntegrate[
 Exp[-a/2 x^2 - b/2 y^2 - c/2 z^2 - d/2 w^2], {x, 0, Infinity}, {y, 0,
   x}, {z, 0, y}, {w, 0, z}]
NIntegrate[
 Sin[th]/Sqrt[a b d (b + c Sin[th]^2)] ArcTan[
   Sin[th] Sqrt[d/(b + c Sin[th]^2)]], {th, 0, ArcTan[Sqrt[b/a]]}]
  1/Sqrt[a ] NIntegrate[
  u ArcTan[u] 1/((d - c u^2) Sqrt[d - (c + b) u^2]), {u, 0, Sqrt[ 
   d/ (a + b + c)]}]
 Sqrt[d]/(Sqrt[a ] (b + c))
  NIntegrate[
  Sin[phi] ArcTan[
    Sqrt[d/(c + b)] Sin[phi]] 1/(d - c (d/(c + b) Sin[phi]^2)) , {phi,
    0, ArcSin[ Sqrt[( c + b)/ (a + b + c)]]}]
- I 2/(Sqrt[a ] Sqrt[d])
  NIntegrate[
   t /(c (-1 + t^2)^2 + b (1 + t^2)^2) Log[(
    1 + t^2 + 2 I Sqrt[d/(b + c)] t)/(
    1 + t^2 - 2 I Sqrt[d/(b + c)] t)], {t, 0, Sqrt[(b + c)/(
   a + b + c)]/(1 + Sqrt[a/(a + b + c)])}]
- I 2/(Sqrt[a ] Sqrt[d])
  NIntegrate[
   t /(c (-1 + t^2)^2 + 
     b (1 + t^2)^2) Log[((1/
        2 (2 I Sqrt[d/(b + c)] - Sqrt[-4 - (4 d)/(b + c)]) + 
       t) (1/2 (2 I Sqrt[d/(b + c)] + Sqrt[-4 - (4 d)/(b + c)]) + 
       t))/((1/2 (-2 I Sqrt[d/(b + c)] - Sqrt[-4 - (4 d)/(b + c)]) + 
       t) (1/2 (-2 I Sqrt[d/(b + c)] + Sqrt[-4 - (4 d)/(b + c)]) + 
       t))], {t, 0, Sqrt[(b + c)/(a + b + c)]/(
   1 + Sqrt[a/(a + b + c)])}]
 1/Sqrt[a b c d]  1/4 NIntegrate[
  Sum[(-1)^(Floor[(eta - 1)/2]) (-1)^
    Floor[(xi - 1)/2] Log[
     t + (-1)^Floor[(xi - 1)/2] I Sqrt[d/(b + c)] + (-1)^(xi - 1)
        I Sqrt[( b + c + d)/(b + c)]]/(
    t - (-1)^(1 + eta + 
        Floor[(eta - 1)/2]) I Exp[(-1)^(Floor[(eta - 1)/2]) I ArcTan[
         Sqrt[c]/Sqrt[b]]]), {xi, 1, 4}, {eta, 1, 4}], {t, 0, Sqrt[(
   b + c)/(a + b + c)]/(1 + Sqrt[a/(a + b + c)])}]
 1/Sqrt[a b c d]  1/4 Sum[(-1)^(Floor[(eta - 1)/2]) (-1)^
   Floor[(xi - 1)/2] FF[0, Sqrt[(b + c)/(a + b + c)]/(
    1 + Sqrt[a/(
     a + b + c)]), (-1)^Floor[(xi - 1)/2] I Sqrt[d/(b + c)] + (-1)^(
      xi - 1) I Sqrt[( b + c + d)/(
      b + c)], -(-1)^(1 + eta + 
        Floor[(eta - 1)/2]) I Exp[(-1)^(Floor[(eta - 1)/2]) I ArcTan[
        Sqrt[c]/Sqrt[b]]]], {xi, 1, 4}, {eta, 1, 4}]

ingrese la descripción de la imagen aquí

Actualización: como un control de cordura, mire el caso a = b = C = d = 1 . Luego define:

METRO 1 := ( 1 + 3 2 2 1 + 3 1 2 3 2 3 1 2 3 1 1 2 3 2 1 + 3 1 + 3 2 ) METRO 2 := ( 1 2 1 2 ( 1 + 3 ) 1 2 ( 1 + 3 ) 1 2 1 2 1 2 ( 1 + 3 ) 1 2 ( 1 + 3 ) 1 2 1 2 ( 1 + 3 ) 1 2 1 2 1 2 ( 1 + 3 ) 1 2 ( 1 + 3 ) 1 2 1 2 1 2 ( 1 + 3 ) ) A 1 := ( π 6 π 12 π 4 0 5 π 6 π 12 5 π 12 π 3 5 π 12 π 3 5 π 6 π 12 π 4 0 π 6 π 12 ) A 2 := ( π 12 π 6 π 6 π 12 7 π 12 π 6 π 6 7 π 12 π 6 7 π 12 7 π 12 π 6 π 6 π 12 π 12 π 6 )
y tenemos
I ( 1 , 1 , 1 , 1 ) = 1 4 ξ = 1 4 η = 1 4 ( 1 ) η 1 2 + ξ 1 2 ( L i 2 ( METRO 1 ξ , η Exp ( i A 1 ξ , η ) ) L i 2 ( METRO 2 ξ , η Exp ( i A 2 ξ , η ) ) )
Hemos comprobado numéricamente que esta cantidad anterior coincide con π 2 / 96 a cien dígitos. Sería interesante probar esto analíticamente.

Esta es una cantidad impresionante de álgebra, pero al ver el código de Your Mathematica al final, todavía nos queda una integral por calcular. No me queda claro cómo es esto más eficiente que la integral original. ¿A qué íbamos aquí?
@Radost Lo siento, el código estaba desactualizado. Ahora el código no usa integrales numéricas. Puede obtener fácilmente el resultado con cincuenta dígitos de precisión como lo hice anteriormente. Pero volviendo a tu punto, he jugado con integrales como esa muchas veces. Simplemente se reducen a polilogaritmos. no hay forma de evitar eso. Sin embargo, los polilogaritmos se pueden calcular con precisión arbitraria mientras que su integral original no.

Esta integral es hasta la integral constante de normalización de la distribución gaussiana multivariada. Debido a la falta de términos cruzados, obtenemos que hay 4 variables gaussianas independientes de media cero involucradas.

Podemos comenzar reescribiendo esto como una probabilidad de un evento.

Dejar X , Y , Z , W independientes distribuidas normalmente con media cero y varianzas posiblemente diferentes.

Entonces la integral se reduce a:

PAG ( 0 < W < Z < Y < X )

Que a su vez es lo mismo que:

PAG ( W > 0 Z W > 0 Y Z > 0 X Y > 0 )

y uno puede observar que W , Z W , Y Z , X Y son variables conjuntamente normales correlacionadas. La probabilidad de que todos los componentes de un vector normal conjunto sean positivos se denomina probabilidad ortante y, en general, no tiene expresión de forma cerrada. Supongo que este es un caso bastante especial con una matriz de covarianza casi diagonal, por lo que tal vez haya algunos artículos sobre cómo abordar este caso especial.

Para el caso de 3 o menos variables, se conocen fórmulas (ver esta pregunta, por ejemplo) y supongo que coincidirían con lo que has encontrado.

Aquí damos una respuesta usando un método diferente. Asumir que a 0 , b 0 , C 0 y d 0 . Definir:

I ( a , b , C , d ) := 0 0 X 0 y 0 z Exp ( a X 2 2 b y 2 2 C z 2 2 d w 2 2 ) d w d z d y d X
Entonces nosotros tenemos:
I ( a , b , C , d ) = π 2 C d 0 0 X 0 C y Exp ( a X 2 2 b y 2 2 z 2 2 ) erf ( d 2 C z ) d z d y d X = 2 π C d 0 0 X Exp ( a X 2 2 b y 2 2 ) ( 1 2 π arcán [ d C ] T ( C y , d C ) d y d X = 2 π 2 a b C d 0 Exp ( y 2 2 ) 2 π erfc ( a 2 b y ) ( 1 2 π arcán [ d C ] T ( C b y , d C ) d y = 2 π 2 a b C d ( ( π 2 broncearse 1 ( a b ) ) broncearse 1 ( d C ) π pecado 1 ( b d ( b + C ) ( C + d ) ) 4 π 2 + 0 Exp ( y 2 2 ) 2 π erf ( a 2 b y ) T ( C b y , d C ) d y ) = 2 π 2 a b C d ( broncearse 1 ( d C ) broncearse 1 ( b d C ( b + C + d ) ) 4 π + 1 8 π 2 i = 1 4 j = 1 4 ( 1 ) i 1 2 + j F i ( ( 1 ) j 1 2 b + C + d b + C + ( 1 ) j d b + C ) , ( 1 ) i + 1 C b + C + i b b + C ( 1 ) i 1 2 + 1 ( 1 , a + b + C b + C a b + C ) )
En la primera línea integramos sobre w utilizando la definición de la función de error. En la segunda línea integramos sobre z utilizando la definición de la función T de Owen. En la tercera línea intercambiamos el orden de integración e integramos sobre X usando la definición de la función de error complementaria. En la cuarta línea dividimos la integral en integrales factibles y una más complicada y finalmente en la quinta línea evaluamos la integral restante usando una integral que involucra una Gaussiana, funciones de error y la función T de Owen. .

Clear[F]; Clear[FF];
F[z_, a_, b_] := 
  Log[a + z] Log[(b + z)/(-a + b)] + PolyLog[2, (a + z)/(a - b)];
FF[A_, B_, a_, b_] := 
  Module[{result, ts, zs, zsp, zsm, eps = 10^(-50)},
   (*This is Integrate[Log[z+a]/(z+b),{z,A,B}] where all a,b,A, 
   and B are complex. *)
   result = F[B, a, b] - F[A, a, b];


   ts = - (Im[(A + b) (Conjugate[b] - Conjugate[a])]/
     Im[(B - A) (Conjugate[b] - Conjugate[a])]);
   If[0 <= ts <= 1,
    zsp = A + (ts + eps) (B - A);
    zsm = A + (ts - eps) (B - A);
    result += -F[zsp, a, b] + F[zsm, a, b];
    ];

   result
   ];
J[a_, b_, c_] := 
  1/ Pi^2 (ArcTan[Sqrt[2] a]/2 ArcTan[ c] + 
     1/8  Sum[
       FF[1, ( Sqrt[1 + 2 a^2 + b^2] - Sqrt[2] a)/Sqrt[
         1 + b^2], ((-1)^j I b c + (-1)^Floor[(j - 1)/2] I Sqrt[
           1 + b^2 + b^2 c^2])/Sqrt[
         1 + b^2], -(((-1)^Ceiling[(i - 1)/2] I + (-1)^i b)/Sqrt[
          1 + b^2])] (-1)^(j + Floor[(i - 1)/2]), {i, 1, 4}, {j, 1, 
        4}] );

{a, b, c, d} = RandomReal[{0, 10}, 4, WorkingPrecision -> 50];
NIntegrate[
 Exp[-a/2 x^2 - b/2 y^2 - c/2 z^2 - d/2 w^2], {x, 0, Infinity}, {y, 0,
   x}, {z, 0, y}, {w, 0, z}]
Sqrt[\[Pi]/2]/(Sqrt[c] Sqrt[d])
  NIntegrate[
  Exp[-a/2 x^2 - b/2 y^2 - 1/2 z^2] Erf[Sqrt[d/(2 c)] z], {x, 0, 
   Infinity}, {y, 0, x}, {z, 0, Sqrt[c] y}]
 (2 \[Pi])/Sqrt[c d]
  NIntegrate[
  Exp[-a/2 x^2 - b/2 y^2] (ArcTan[Sqrt[d/c]]/(2 \[Pi]) - 
     OwenT[Sqrt[c] y, Sqrt[d/c]]), {x, 0, Infinity}, {y, 0, x}]
(2  \[Pi]^2)/Sqrt[a b c d]
  NIntegrate[
  Exp[ -1/2 y^2]/Sqrt[2 Pi]
    Erfc[Sqrt[a/(2 b)] y] (ArcTan[Sqrt[d/c]]/(2 \[Pi]) - 
     OwenT[Sqrt[c/b] y, Sqrt[d/c]]), {y, 0, Infinity}]
(2  \[Pi]^2)/Sqrt[
 a b c d] ((-\[Pi] ArcSin[Sqrt[b d]/
      Sqrt[(b + c) (c + d)]] + (\[Pi] - 2 ArcTan[Sqrt[a/b]]) ArcTan[
      Sqrt[d/c]])/(4 \[Pi]^2) + 
   NIntegrate[
    Exp[ -1/2 y^2]/Sqrt[2 Pi]
      Erf[Sqrt[a/(2 b)] y] OwenT[Sqrt[c/b] y, Sqrt[d/c]], {y, 0, 
     Infinity}])
(2  \[Pi]^2)/Sqrt[
 a b c d] ((-ArcTan[Sqrt[b d]/ Sqrt[c (b + c + d)]] + 
    ArcTan[Sqrt[d/c]])/(4 \[Pi]) +  
   1/( 8 Pi^2)
     Sum[FF[1, Sqrt[(a + b + c)/(b + c)] - Sqrt[a/(b + c)], 
       I  ((-1)^j Sqrt[d/(b + c)] + (-1)^Floor[1/2 (-1 + j)] Sqrt[(
           b + c + d)/(b + c)]), (-1)^(i + 1) Sqrt[c/(b + c)] + 
        Sqrt[b/(b + c)] I (-1)^(1 + Ceiling[1/2 (-1 + i)])] (-1)^(
      j + Floor[(i - 1)/2]), {i, 1, 4}, {j, 1, 4}] )

ingrese la descripción de la imagen aquí


Definir la función I : R > 0 4 R a través de la integral cuádruple

(1) I ( a , b , C , d ) := 0 d X 0 X d y 0 y d z 0 z d w Exp ( a X 2 2 b y 2 2 C z 2 2 d w 2 2 ) .

Si observamos cómo esta integral se transforma bajo la sustitución ( X , y , z , w ) ( pag X , pag y , pag z , pag w ) para algunos reales positivos fijos pero arbitrarios pag , obtenemos la siguiente relación de escala:

(2) ( a , b , C , d , pag ) R > 0 5 : I ( a , b , C , d ) = pag 4 I ( a pag 2 , b pag 2 , C pag 2 , d pag 2 ) .

Como tal, en nuestra evaluación general de I ( a , b , C , d ) será suficiente considerar la a = 1 caso.


Para empezar, derivamos algunas fórmulas de integración rápida que serán útiles a continuación.

Para cualquier pag R > 0 ,

0 d X X 3 Exp ( pag X 2 2 ) = 0 d y y 2 Exp ( pag y 2 ) ;       [ X = y ] = 0 d z 2 pag z pag Exp ( z ) ;       [ y = 2 z pag ] = 2 pag 2 0 d z z Exp ( z ) (3a) = 2 pag 2 .

A continuación, dado pag R > 0 y configuración q := pag ,

0 1 d t 2 t 2 ( 1 + pag t 2 ) 2 = 0 1 d t 2 t 2 ( 1 + q 2 t 2 ) 2 = 1 q 3 0 q d X 2 X 2 ( 1 + X 2 ) 2 ;       [ q t = X ] = 1 q 3 0 q d X d d X [ arcán ( X ) X 1 + X 2 ] = 1 q 3 [ arcán ( q ) q 1 + q 2 ] = [ arcán ( q ) q 3 1 q 2 ( 1 + q 2 ) ] (3b) = [ arcán ( pag ) pag pag 1 pag ( 1 + pag ) ] .

Definición de la función j : R > 0 3 R por

(3c) j ( pag , q , X ) := 0 X d y [ arcán ( pag + q y 2 ) ( pag + q y 2 ) 3 / 2 1 ( pag + q y 2 ) ( 1 + pag + q y 2 ) ] ,

entonces encontramos que para cualquier ( pag , q , X ) R > 0 3 ,

j ( pag , q , X ) = 0 X d y [ arcán ( pag + q y 2 ) ( pag + q y 2 ) 3 / 2 1 ( pag + q y 2 ) ( 1 + pag + q y 2 ) ] = 0 X d y arcán ( pag + q y 2 ) ( pag + q y 2 ) 3 / 2 0 X d y 1 ( pag + q y 2 ) ( 1 + pag + q y 2 ) = X arcán ( pag + q X 2 ) pag pag + q X 2 0 X d y q y 2 pag ( pag + q y 2 ) ( 1 + pag + q y 2 ) ;       I . B . PAG .           0 X d y 1 ( pag + q y 2 ) ( 1 + pag + q y 2 ) = X arcán ( pag + q X 2 ) pag pag + q X 2 0 X d y 1 pag ( 1 + pag + q y 2 ) = X arcán ( pag + q X 2 ) pag pag + q X 2 1 pag q ( 1 + pag ) 0 X q 1 + pag d t 1 ( 1 + t 2 ) ;       [ y = t 1 + pag q ] (3d) = X arcán ( pag + q X 2 ) pag pag + q X 2 arcán ( X q 1 + pag ) pag q ( 1 + pag ) .


Suponer ( b , C , d ) R > 0 3 .

Empezamos por reducir I a una integral de una sola variable de la siguiente manera:

I ( 1 , b , C , d ) = 0 d X 0 X d y 0 y d z 0 z d w Exp ( X 2 2 b y 2 2 C z 2 2 d w 2 2 ) = 0 d X 0 1 d t 0 t d tu 0 tu d v X 3           × Exp ( X 2 2 b X 2 t 2 2 C X 2 tu 2 2 d X 2 v 2 2 ) ;       [ ( y , z , w ) = ( X t , X tu , X v ) ] = 0 d X 0 1 d t 0 t d tu 0 tu d v X 3 mi ( 1 + b t 2 + C tu 2 + d v 2 ) X 2 2 = 0 1 d t 0 t d tu 0 tu d v 0 d X X 3 mi ( 1 + b t 2 + C tu 2 + d v 2 ) X 2 2 = 0 1 d t 0 t d tu 0 tu d v 2 ( 1 + b t 2 + C tu 2 + d v 2 ) 2 ,

y luego,

I ( 1 , b , C , d ) = 0 1 d t 0 t d tu 0 tu d v 2 ( 1 + b t 2 + C tu 2 + d v 2 ) 2 = 0 1 d t 0 1 d X 0 X d y 2 t 2 ( 1 + b t 2 + C t 2 X 2 + d t 2 y 2 ) 2 ;       [ ( tu , v ) = ( t X , t y ) ] = 0 1 d X 0 X d y 0 1 d t 2 t 2 ( 1 + b t 2 + C t 2 X 2 + d t 2 y 2 ) 2 = 0 1 d X 0 X d y 0 1 d t 2 t 2 [ 1 + ( b + C X 2 + d y 2 ) t 2 ] 2 = 0 1 d X 0 X d y [ arcán ( b + C X 2 + d y 2 ) ( b + C X 2 + d y 2 ) 3 / 2           1 ( b + C X 2 + d y 2 ) ( 1 + b + C X 2 + d y 2 ) ] = 0 1 d X j ( b + C X 2 , d , X ) (4) = 0 1 d X [ X arcán ( b + C X 2 + d X 2 ) ( b + C X 2 ) b + C X 2 + d X 2 arcán ( X d 1 + b + C X 2 ) ( b + C X 2 ) d ( 1 + b + C X 2 ) ] .


Definir las funciones auxiliares F : R > 0 3 R y GRAMO : R > 0 3 R por las respectivas integrales

(5a) F ( b , C , d ) := 0 1 d X X arcán ( b + C X 2 + d X 2 ) ( b + C X 2 ) b + C X 2 + d X 2

y

(5b) GRAMO ( b , C , d ) := 0 1 d X arcán ( X d 1 + b + C X 2 ) ( b + C X 2 ) d ( 1 + b + C X 2 ) .

Suponer ( b , C , d ) R > 0 3 , y establecer pag := b C q := 1 + b C r := d C . A continuación, notando que 0 < pag < q , colocar s := pag q z := q 1 . Entonces obtenemos las siguientes expresiones para GRAMO y F :

GRAMO ( b , C , d ) = 0 1 d X arcán ( X d 1 + b + C X 2 ) ( b + C X 2 ) d ( 1 + b + C X 2 ) = 1 C C d 0 1 d X arcán ( r X q 2 + X 2 ) ( pag 2 + X 2 ) q 2 + X 2 = 1 C C d 0 q 1 d y q arcán ( r q y q 2 + q 2 y 2 ) ( pag 2 + q 2 y 2 ) q 2 + q 2 y 2 ;       [ X = q y ] = 1 C C d 0 q 1 d y arcán ( r y 1 + y 2 ) ( pag 2 + q 2 y 2 ) 1 + y 2 = 1 ( 1 + b ) C d 0 z d y arcán ( r y 1 + y 2 ) ( s 2 + y 2 ) 1 + y 2 = 1 ( 1 + b ) C d 0 z 1 + z 2 d t arcán ( r t ) s 2 + ( 1 s 2 ) t 2 ;       [ y 1 + y 2 = t ] = 1 ( 1 + b ) C d 0 r z 1 + z 2 d tu r arcán ( tu ) r 2 s 2 + ( 1 s 2 ) tu 2 ;       [ r t = tu ] = 0 d 1 + b + C d tu arcán ( tu ) b d + C tu 2 ,

y

F ( b , C , d ) = 0 1 d X X arcán ( b + C X 2 + d X 2 ) ( b + C X 2 ) b + C X 2 + d X 2 = 0 1 d X 2 X arcán ( b + ( C + d ) X 2 ) 2 ( b + C X 2 ) b + ( C + d ) X 2 = 0 1 d y arcán ( b + ( C + d ) y ) 2 ( b + C y ) b + ( C + d ) y ;       [ X 2 = y ] = b b + C + d d t arcán ( t ) 2 ( b d + C t ) t ;       [ y = t b C + d ] = b b + C + d d tu arcán ( tu ) b d + C tu 2 ;       [ t = tu ] .

Por lo tanto, podemos expresar I como

I ( 1 , b , C , d ) = 0 1 d X [ X arcán ( b + C X 2 + d X 2 ) ( b + C X 2 ) b + C X 2 + d X 2 arcán ( X d 1 + b + C X 2 ) ( b + C X 2 ) d ( 1 + b + C X 2 ) ] = F ( b , C , d ) GRAMO ( b , C , d ) = b b + C + d d tu arcán ( tu ) b d + C tu 2 0 d 1 + b + C d tu arcán ( tu ) b d + C tu 2 = 1 b C d C d ( b + C + d ) C b d d X arcán ( X b d C ) 1 + X 2           1 b C d 0 C b ( 1 + b + C ) d X arcán ( X b d C ) 1 + X 2 ;       [ tu = X b d C ] = 1 b C d 0 ( b + C + d ) C b d d X arcán ( X b d C ) 1 + X 2 1 b C d 0 C d d X arcán ( X b d C ) 1 + X 2 (6)           1 b C d 0 C b ( 1 + b + C ) d X arcán ( X b d C ) 1 + X 2 .


Finalmente, se puede demostrar (ver Apéndice) que la siguiente fórmula de integración es válida para todos ( pag , z ) R > 0 2 :

(7) 0 z d X 2 arcán ( pag X ) 1 + X 2 = arcán 2 ( z ) + li 2 ( 1 pag 1 + pag ) li 2 ( 1 pag 1 + pag , π 2 arcán ( z ) ) ,

donde la variante de dos variables del dilogaritmo está definida por la representación integral

li 2 ( r , θ ) := 1 2 0 r d X en ( 1 2 X porque ( θ ) + X 2 ) X ;       ( r , θ ) R 2 .

Dado que cada una de las tres integrales restantes en la última línea de ( 6 ) anterior se puede evaluar con la fórmula ( 7 ) , esto en principio completa la derivación. Sin embargo, no veo mucho sentido en pasar por el tedio de escribir la expresión explícita.


Apéndice.

Definir la función k : R > 0 2 R a través de la integral definida

k ( a , z ) := 0 z d X arcán ( a X ) 1 + X 2 .

En el caso especial a = 1 la integral es elemental y tenemos

k ( 1 , z ) = 0 z d X arcán ( X ) 1 + X 2 = 1 2 arcán 2 ( z ) ;       z R > 0 .

Suponer ( a , z ) R > 0 2 , y asumir a 1 . Entonces, 1 < 1 a 1 + a < 1 1 a 1 + a 0 .

Colocar ω := 2 arcán ( z ) , y tenga en cuenta que 0 < ω < π z = broncearse ( ω 2 ) .

k ( a , z ) = 0 z d X arcán ( a X ) 1 + X 2 = 0 z d X 1 1 + X 2 0 a d t X 1 + X 2 t 2 = 0 z d X 0 a d t X ( 1 + X 2 ) ( 1 + t 2 X 2 ) = 0 a d t 0 z d X X ( 1 + X 2 ) ( 1 + t 2 X 2 ) = 1 2 0 a d t 0 z 2 d y 1 ( 1 + y ) ( 1 + t 2 y ) ;       [ X 2 = y ] = 1 2 0 a d t 0 z 2 d y d d y [ en ( 1 + y ) en ( 1 + t 2 y ) 1 t 2 ] = 1 2 0 a d t en ( 1 + z 2 ) en ( 1 + z 2 t 2 ) 1 t 2 = 1 2 0 a d t en ( 1 + z 2 t 2 1 + z 2 ) 1 t 2 = 1 2 1 a 1 + a 1 d X 1 2 X en ( 1 + z 2 ( 1 X 1 + X ) 2 1 + z 2 ) ;       [ t = 1 X 1 + X ] = 1 2 1 a 1 + a 1 d X 1 2 X en ( ( 1 + X ) 2 + z 2 ( 1 X ) 2 ( 1 + z 2 ) ( 1 + X ) 2 ) = 1 2 1 a 1 + a 1 d X 1 2 X en ( 1 + 2 ( 1 z 2 1 + z 2 ) X + X 2 ( 1 + X ) 2 ) = 1 2 1 a 1 + a 1 d X 1 2 X [ en ( 1 + 2 X porque ( ω ) + X 2 ) 2 en ( 1 + X ) ] = 1 2 1 a 1 + a 1 d X en ( 1 + 2 X porque ( ω ) + X 2 ) 2 X + 1 2 1 a 1 + a 1 d X en ( 1 + X ) X = 1 2 0 1 d X en ( 1 + 2 X porque ( ω ) + X 2 ) 2 X + 1 2 0 1 a 1 + a d X en ( 1 + 2 X porque ( ω ) + X 2 ) 2 X           1 2 li 2 ( 1 ) + 1 2 li 2 ( 1 a 1 + a ) = + 1 2 li 2 ( 1 ) + 1 8 ω 2 + 1 2 0 1 a 1 + a d X en ( 1 + 2 X porque ( ω ) + X 2 ) 2 X           1 2 li 2 ( 1 ) + 1 2 li 2 ( 1 a 1 + a ) = 1 2 arcán 2 ( z ) + 1 2 li 2 ( 1 a 1 + a )           1 2 0 1 a 1 + a d X ( 1 ) en ( 1 2 X porque ( π ω ) + X 2 ) 2 X = 1 2 arcán 2 ( z ) + 1 2 li 2 ( 1 a 1 + a ) 1 2 li 2 ( 1 a 1 + a , π ω ) .