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==개요==
  
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*  정의 :<math>\operatorname{Ls}_{a+b,a}(\theta):=-\int_{0}^{\theta}x^a\log^{b-1}|2\sin \frac{x}{2}|\,dx</math> :<math>\operatorname{Ls}_{n}(\theta):=\operatorname{Ls}_{n,0}(\theta)=-\int_{0}^{\theta}\log^{n-1}(2\sin \frac{x}{2})\,dx</math>
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* 다음과 같은 적분에서 등장한다
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:<math>
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\int_{0}^{1-e^{i\theta}}\log^{n-1}z\frac{dz}{1-z}=-i\int_{0}^{\theta}(\frac{i}{2}(x-\pi)+\log|2\sin \frac{x}{2}|)^{n-1}\,dx
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</math>
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* [[로바체프스키 함수|클라우센 함수]]의 일반화로 볼 수 있다 :<math>\operatorname{Cl}_2(\theta)=-\int_0^{\theta} \ln |2\sin \frac{t}{2}| \,dt=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin (n\theta)}{n^2}</math>
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==로그사인 정적분==
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*  정적분 값의 계산 문제 :<math>\operatorname{Ls}_{n}(\pi)=-\int_{0}^{\pi}\log^{n-1}(2\sin \frac{x}{2})\,dx</math>
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*  지수생성함수
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:<math>I(x):=\int_{0}^{\pi}e^{x\log(2\sin \frac{1}{2}\theta)}d\theta =\sum_{n=0}^{\infty}\int_{0}^{\pi}\frac{x^n}{n!}\log^n(2\sin\frac{1}{2}\theta)d\theta=-\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}\operatorname{Ls}_{n+1}(\pi)</math>
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*  정적분의 점화식:<math>\operatorname{Ls}_{m+2}(\pi)=(-1)^{m}m![\pi(1-2^{-m})\zeta(m+1)-\sum_{k=2}^{m-1}(-1)^{k}\frac{1-2^{k-m}}{k!}\zeta(m-k+1)\operatorname{Ls}_{k+1}(\pi)</math>
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*  이 정적분은 <math>\ln 2</math>와 <math>\zeta(n), n\geq 2</math> 의 다항식으로 표현할 수 있다'''[Bowman1947]'''
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*  다음 정리로부터 이러한 결과들을 이해할 수 있다
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===지수생성함수===
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;정리 '''[Lewin1958]'''
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:<math>I(x)=\frac{\pi\Gamma(1+x)}{(\Gamma(1+\frac{1}{2}x))^2}</math>
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:<math>\log I(x)=\log {\pi}+\sum_{k=2}^{\infty}(-1)^k (1-2^{1-k})\frac{\zeta(k)}{k}x^k</math>
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;증명
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[[오일러 베타적분(베타함수)|오일러 베타적분]] 의 결과를 이용하자.
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:<math>\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^{p}\theta{d\theta}= \frac{1}{2}B(\frac{p+1}{2},\frac{1}{2})=\frac{\sqrt{\pi}\Gamma(\frac{p}{2}+\frac{1}{2})}{2\Gamma(\frac{p}{2}+1)}</math>
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:<math>I(x)=\int_{0}^{\pi}e^{x\log(2\sin \frac{1}{2}\theta)}d\theta =\int_{0}^{\pi}(2\sin \frac{1}{2}\theta)^{x}\,d\theta=2^{x+1}\int_{0}^{\pi/2}\sin^{x}t\,dt=\sqrt{\pi}\frac{2^x\Gamma(\frac{x}{2}+\frac{1}{2})}{\Gamma(\frac{x}{2}+1)}</math>
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여기서 [[감마함수]]의 곱셈공식
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:<math>2^{2z}\Gamma(z) \; \Gamma\left(z + \frac{1}{2}\right) = 2\sqrt{\pi}\;\Gamma(2z)</math> 을 이용하면, 우변을 정리하여 원하는 식을 얻는다.
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한편,
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:<math>\log I(x)=\log {\pi}+\sum_{k=2}^{\infty}(-1)^k (1-2^{1-k})\frac{\zeta(k)}{k}x^k</math> 를 구하려면, [[로그감마 함수]]의 테일러전개를 이용하면 된다
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:<math>\log\Gamma(1+x) =-\gamma x+\sum_{k=2}^{\infty}(-1)^k \frac{\zeta(k)}{k}x^k.</math> ■
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* <math>I(x)</math> 에 대하여 다음이 성립한다
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:<math>\frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi}(2 \sin \frac{1}{2}\theta)^{x}\,d\theta=\frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi}(2 \cos \frac{1}{2}\theta)^{x}\,d\theta=\frac{\Gamma(1+x)}{\Gamma(1+\frac{1}{2}x)\Gamma(1+\frac{1}{2}x)}</math>
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좀 더 일반적으로,
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:<math>\frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi}(2 \cos \frac{1}{2}\theta)^{x}\cos y\theta \,d\theta=\frac{\Gamma(1+x)}{\Gamma(1+\frac{1}{2}x+y)\Gamma(1+\frac{1}{2}x-y)}</math> 가 성립한다. '''[Borwein1995]'''
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==special values==
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<math>\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}\ln (\sin t)dt =-\frac{\pi}{4}\ln 2-\frac{G}{2}</math>
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<math>\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}\ln (\cos t)dt =-\frac{\pi}{4}\ln 2+\frac{G}{2}</math>
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<math>\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}t\ln (\sin t)dt =\frac{35}{128}\zeta(3)-\frac{\pi G}{8}-\frac{\pi^2}{32}\log 2</math>
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(여기서 G는 [[카탈란 상수]])
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<math>\int_{0}^{\pi/3}\log^2(2\sin \frac{x}{2})\,dx=\frac{7\pi^3}{108}</math>
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<math>\int_{0}^{\pi/3}x\log^2(2\sin \frac{x}{2})\,dx=\frac{17\pi^4}{6480}</math>
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<math>\int_{0}^{\pi}\log(2\sin \frac{x}{2})\,dx=0</math>
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<math>\int_{0}^{\pi/2}\log(\sin x)\,dx=-\frac{\pi\log 2}{2}</math>
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<math>\int_{0}^{\pi/2}x\log(\sin x)\,dx=\frac{7}{16}\zeta(3)-\frac{\pi^2}{8}\log 2</math>
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<math>\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}x^2 \ln (\sin x)dx=-\frac{\pi^3}{24}\ln 2+\frac{3}{16} \zeta(3)</math>
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<math>\int_{0}^{\pi/2}\log^2(\sin x)\,dx=\frac{\pi}{2}(\log 2)^2+\frac{\pi^3}{24}</math>
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<math>\int_{0}^{\pi}\log^2(2\sin \frac{x}{2})\,dx=\frac{\pi^3}{12}</math>
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<math>\int_{0}^{\pi}x^2\log^2(2\cos \frac{x}{2})\,dx=\frac{11\pi^5}{180}</math>
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<math>\int_{0}^{\pi}\log^3(2\sin \frac{x}{2})\,dx=-\frac{3\pi}{2}\zeta(3)</math>
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<math>\int_{0}^{\pi}\log^4(2\sin \frac{x}{2})\,dx=\frac{19\pi^5}{240}</math>
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<math>\int_{0}^{\pi}\log^5(2\sin \frac{x}{2})\,dx=-\frac{45\pi}{2}\zeta(5)-\frac{5\pi^3}{4}\zeta(3)</math>
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<math>\int_{0}^{\pi}\log^6(2\sin \frac{x}{2})\,dx=\frac{45\pi}{2}\zeta^2(3)+\frac{275\pi^7}{1344}</math>
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==메모==
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* [[중심이항계수(central binomial coefficient)]]:<math>\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^3\binom{2n}{n}}=4\int_{0}^{\frac{1}{2}}(\arcsin x)^2\frac{dx}{x}=-2\int_{0}^{\pi/3}x\log(2\sin \frac{x}{2})\,dx</math>
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* http://cjackal.tistory.com/109
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* [http://www.wolframalpha.com/input/?i=integrate+%28log+%282sin%28x/2%29%29%29%5E2+dx+from+0+to+pi/3 http://www.wolframalpha.com/input/?i=integrate+(log+(2sin(x/2)))^2+dx+from+0+to+pi/3]
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* http://mathworld.wolfram.com/RamanujanLog-TrigonometricIntegrals.html
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==역사==
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* [[수학사 연표]]
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==관련된 항목들==
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* [[로그 탄젠트 적분(log tangent integral)]]
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* [[다이로그 함수(dilogarithm)|다이로그 함수(dilogarithm )]]
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* [[폴리로그 함수(polylogarithm)]]
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* [[로바체프스키 함수|로바체프스키와 클라우센 함수]]
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* [[정수에서의 리만제타함수의 값]]
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* [[중심이항계수(central binomial coefficient)]]
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* [[오일러 베타적분(베타함수)|오일러 베타적분]]
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* [[로그 탄젠트 적분(log tangent integral)|로그 탄젠트 적분]]
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==계산 리소스==
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* [http://arminstraub.com/mathematics/lstoli-a-mathematica-package-for-evaluating-log-sine-integrals LsToLi: A Mathematica package for evaluating log-sine integrals]
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** http://arminstraub.com/pub/log-sine-integrals
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* Kalmykov, M. Yu, and A. Sheplyakov. 2004. “LSJK - a C++ Library for Arbitrary-precision Numeric Evaluation of the Generalized Log-sine Functions.” arXiv:hep-ph/0411100 (November 7). doi:10.1016/j.cpc.2005.04.013. http://arxiv.org/abs/hep-ph/0411100.
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==관련논문==
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* Borwein, David, Jonathan M Borwein, Armin Straub, and James Wan. 2011. Log-sine evaluations of Mahler measures, II. 1103.3035 (March 15). http://arxiv.org/abs/1103.3035.
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* Borwein, Jonathan M, and Armin Straub. 2011. Log-sine evaluations of Mahler measures. 1103.3893 (March 20). http://arxiv.org/abs/1103.3893.
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* Mark W. Coffey [http://dx.doi.org/10.1016/S0377-0427%2803%2900438-2 On some log-cosine integrals related to ζ(3), ζ(4), and ζ(6)], 2003
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* [http://www.cs.cmu.edu/%7Eadamchik/articles/Srivastava/ch_sr.pdf Multiple Gamma and Related Functions]
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** J. Choi, H. M. Srivastava, V.S. Adamchik , Applied Mathematics and Computation, 134 (2003), 515-533
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* '''[Borwein1995]'''[http://www.jstor.org/stable/2160718 On an Intriguing Integral and Some Series Related to ζ(4)]
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** David Borwein and Jonathan M. Borwein, Proceedings of the American Mathematical Society, Vol. 123, No. 4 (Apr., 1995), pp. 1191-1198
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*  Some wonderful formulas ... an introduction to polylogarithms
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** A.J. Van der Poorten, Queen's papers in Pure and Applied Mathematics, 54 (1979), 269-286
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* [http://dx.doi.org/10.1007/BF01935325 On the value of a logarithmic-trigonometric integral]
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** K. S. Kölbig, 1970
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* '''[Lewin1958]'''  L. Lewin [http://www.jstor.org/stable/3609410 On the Evaluation of log-sine Integrals] The Mathematical Gazette, Vol. 42, No. 340 (May, 1958), pp. 125-128
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* '''[Bowman1947]'''[http://dx.doi.org/10.1112/jlms/s1-22.3.172 Note on the Integral], J. London Math. Soc. 1947 s1-22: 172-173
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[[분류:적분]]

2020년 11월 12일 (목) 06:47 기준 최신판

개요

  • 정의 \[\operatorname{Ls}_{a+b,a}(\theta):=-\int_{0}^{\theta}x^a\log^{b-1}|2\sin \frac{x}{2}|\,dx\] \[\operatorname{Ls}_{n}(\theta):=\operatorname{Ls}_{n,0}(\theta)=-\int_{0}^{\theta}\log^{n-1}(2\sin \frac{x}{2})\,dx\]
  • 다음과 같은 적분에서 등장한다

\[ \int_{0}^{1-e^{i\theta}}\log^{n-1}z\frac{dz}{1-z}=-i\int_{0}^{\theta}(\frac{i}{2}(x-\pi)+\log|2\sin \frac{x}{2}|)^{n-1}\,dx \]

  • 클라우센 함수의 일반화로 볼 수 있다 \[\operatorname{Cl}_2(\theta)=-\int_0^{\theta} \ln |2\sin \frac{t}{2}| \,dt=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin (n\theta)}{n^2}\]


로그사인 정적분

  • 정적분 값의 계산 문제 \[\operatorname{Ls}_{n}(\pi)=-\int_{0}^{\pi}\log^{n-1}(2\sin \frac{x}{2})\,dx\]
  • 지수생성함수

\[I(x):=\int_{0}^{\pi}e^{x\log(2\sin \frac{1}{2}\theta)}d\theta =\sum_{n=0}^{\infty}\int_{0}^{\pi}\frac{x^n}{n!}\log^n(2\sin\frac{1}{2}\theta)d\theta=-\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}\operatorname{Ls}_{n+1}(\pi)\]

  • 정적분의 점화식\[\operatorname{Ls}_{m+2}(\pi)=(-1)^{m}m![\pi(1-2^{-m})\zeta(m+1)-\sum_{k=2}^{m-1}(-1)^{k}\frac{1-2^{k-m}}{k!}\zeta(m-k+1)\operatorname{Ls}_{k+1}(\pi)\]
  • 이 정적분은 \(\ln 2\)와 \(\zeta(n), n\geq 2\) 의 다항식으로 표현할 수 있다[Bowman1947]
  • 다음 정리로부터 이러한 결과들을 이해할 수 있다


지수생성함수

정리 [Lewin1958]

\[I(x)=\frac{\pi\Gamma(1+x)}{(\Gamma(1+\frac{1}{2}x))^2}\] \[\log I(x)=\log {\pi}+\sum_{k=2}^{\infty}(-1)^k (1-2^{1-k})\frac{\zeta(k)}{k}x^k\]


증명

오일러 베타적분 의 결과를 이용하자. \[\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^{p}\theta{d\theta}= \frac{1}{2}B(\frac{p+1}{2},\frac{1}{2})=\frac{\sqrt{\pi}\Gamma(\frac{p}{2}+\frac{1}{2})}{2\Gamma(\frac{p}{2}+1)}\]

\[I(x)=\int_{0}^{\pi}e^{x\log(2\sin \frac{1}{2}\theta)}d\theta =\int_{0}^{\pi}(2\sin \frac{1}{2}\theta)^{x}\,d\theta=2^{x+1}\int_{0}^{\pi/2}\sin^{x}t\,dt=\sqrt{\pi}\frac{2^x\Gamma(\frac{x}{2}+\frac{1}{2})}{\Gamma(\frac{x}{2}+1)}\]

여기서 감마함수의 곱셈공식 \[2^{2z}\Gamma(z) \; \Gamma\left(z + \frac{1}{2}\right) = 2\sqrt{\pi}\;\Gamma(2z)\] 을 이용하면, 우변을 정리하여 원하는 식을 얻는다.

한편, \[\log I(x)=\log {\pi}+\sum_{k=2}^{\infty}(-1)^k (1-2^{1-k})\frac{\zeta(k)}{k}x^k\] 를 구하려면, 로그감마 함수의 테일러전개를 이용하면 된다 \[\log\Gamma(1+x) =-\gamma x+\sum_{k=2}^{\infty}(-1)^k \frac{\zeta(k)}{k}x^k.\] ■


  • \(I(x)\) 에 대하여 다음이 성립한다

\[\frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi}(2 \sin \frac{1}{2}\theta)^{x}\,d\theta=\frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi}(2 \cos \frac{1}{2}\theta)^{x}\,d\theta=\frac{\Gamma(1+x)}{\Gamma(1+\frac{1}{2}x)\Gamma(1+\frac{1}{2}x)}\]

좀 더 일반적으로, \[\frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi}(2 \cos \frac{1}{2}\theta)^{x}\cos y\theta \,d\theta=\frac{\Gamma(1+x)}{\Gamma(1+\frac{1}{2}x+y)\Gamma(1+\frac{1}{2}x-y)}\] 가 성립한다. [Borwein1995]



special values

\(\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}\ln (\sin t)dt =-\frac{\pi}{4}\ln 2-\frac{G}{2}\)

\(\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}\ln (\cos t)dt =-\frac{\pi}{4}\ln 2+\frac{G}{2}\)

\(\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}t\ln (\sin t)dt =\frac{35}{128}\zeta(3)-\frac{\pi G}{8}-\frac{\pi^2}{32}\log 2\)

(여기서 G는 카탈란 상수)

\(\int_{0}^{\pi/3}\log^2(2\sin \frac{x}{2})\,dx=\frac{7\pi^3}{108}\)

\(\int_{0}^{\pi/3}x\log^2(2\sin \frac{x}{2})\,dx=\frac{17\pi^4}{6480}\)

\(\int_{0}^{\pi}\log(2\sin \frac{x}{2})\,dx=0\)

\(\int_{0}^{\pi/2}\log(\sin x)\,dx=-\frac{\pi\log 2}{2}\)

\(\int_{0}^{\pi/2}x\log(\sin x)\,dx=\frac{7}{16}\zeta(3)-\frac{\pi^2}{8}\log 2\)

\(\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}x^2 \ln (\sin x)dx=-\frac{\pi^3}{24}\ln 2+\frac{3}{16} \zeta(3)\)

\(\int_{0}^{\pi/2}\log^2(\sin x)\,dx=\frac{\pi}{2}(\log 2)^2+\frac{\pi^3}{24}\)

\(\int_{0}^{\pi}\log^2(2\sin \frac{x}{2})\,dx=\frac{\pi^3}{12}\)

\(\int_{0}^{\pi}x^2\log^2(2\cos \frac{x}{2})\,dx=\frac{11\pi^5}{180}\)

\(\int_{0}^{\pi}\log^3(2\sin \frac{x}{2})\,dx=-\frac{3\pi}{2}\zeta(3)\)

\(\int_{0}^{\pi}\log^4(2\sin \frac{x}{2})\,dx=\frac{19\pi^5}{240}\)

\(\int_{0}^{\pi}\log^5(2\sin \frac{x}{2})\,dx=-\frac{45\pi}{2}\zeta(5)-\frac{5\pi^3}{4}\zeta(3)\)

\(\int_{0}^{\pi}\log^6(2\sin \frac{x}{2})\,dx=\frac{45\pi}{2}\zeta^2(3)+\frac{275\pi^7}{1344}\)




메모


역사


관련된 항목들



계산 리소스

관련논문