积分题1之来自G.Han的一道积分题

今天,收到G.Han的提问,第一个是计算积分

0lnx(x2+1)ndx顿时不明觉厉,然后在宝典《Table of Integrals, Series, and Products》上找到一个更一般的结果:

0lnxdx(a2+b2x2)n=Γ(n12)π4(n1)!a2n1b[2lna2bγψ(n12)]a>0,b>0.

其中γ为Euler-Mascheroni常数,ψ(x)为Digamma 函数,有:

(1)ψ(n+12)=γ2ln2+k=1n22k1.(2)ψ(12)=γ2ln2

解:

In=0+lnx(x2+1)ndx=0+1(x2+1)nd(xlnxx)=[xlnxx(x2+1)n]0++2n0+x2lnxx2(x2+1)n+1dx=2n0+(x2+1)lnxlnxx2(x2+1)n+1dx=2n0+lnx(x2+1)ndx2n0+lnx(x2+1)n+1dx2n0+x2(x2+1)n+1dx
2nIn+1=(2n1)In2n0+x2(x2+1)n+1dx=(2n1)In2n0+x2+11(x2+1)n+1dx=(2n1)In2n0+1(x2+1)ndx+2n0+1(x2+1)n+1dx.
2nIn+1=(2n1)In2n0+1(x2+1)ndx+2n0+1(x2+1)n+1dx.
先证明一个引理
0+1(x2+1)ndx=12B(n12,12)=π2Γ(n12)(n1)!={π2(n1)![π.(2n3)!!2n1]=(2n3)!!2n(n1)!πn2π2n=1.
引理的证明
0+1(x2+1)ndxt=1x2+1__10tnd1t1=1201tn32(1t)12dt=12B(n12,12)=π2Γ(n12)(n1)!={π2(n1)![π.(2n3)!!2n1]=(2n3)!!2n(n1)!πn2π2n=1.
回到原题
2nIn+1=(2n1)In2n0+1(x2+1)ndx+2n0+1(x2+1)n+1dx=(2n1)In2n(2n3)!!2n(n1)!π+2n(2n1)!!2n+1n!π=(2n1)Inπ(n1)!(2n3)!!2n(2n)!!(2n1)!!In+1=(2n2)!!(2n3)!!Inπ212n1(2n2)!!(2n3)!!In=2!!1!!I2k=2n1π2k1=π2k=1n112k1In={0n=1π2(2n3)!!(2n2)!!k=1n112k1n2.
 
 

第二题是个重要的Steffensen积分不等式

f,gR[a,b],且f[a,b]单减,0<g(x)1,求证:

bλbf(x)dxabf(x)g(x)dxaa+λf(x)dx.

其中λ=abg(x)dx.

证:先证明右边不等式

aa+λf(x)dxabf(x)g(x)dx=aa+λf(x)[1g(x)]dxa+λbf(x)g(x)dxf(a+λ)aa+λ[1g(x)]dx=f(a+λ)(λaa+λg(x)dx)a+λbf(x)g(x)dx=f(a+λ)a+λbg(x)dxa+λbf(x)g(x)dx=a+λb[f(a+λ)f(x)]g(x)dx0

左边不等式同理可证.

 

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