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
\[\int_0^{\infty}{\frac{\ln x}{(x^2+1)^n}dx}\]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:
\[\int_0^\infty {\ln x\frac{{dx}}{{{{\left( {{a^2} + {b^2}{x^2}} \right)}^n}}}} = \frac{{\Gamma \left( {n - \frac{1}{2}} \right)\sqrt \pi }}{{4\left( {n - 1} \right)!{a^{2n - 1}}b}}\left[ {2\ln \frac{a}{{2b}} - \gamma - \psi \left( {n - \frac{1}{2}} \right)} \right]\qquad \text{$a>0,b>0$}.\]
其中$\gamma$为Euler-Mascheroni常数,$\psi(x)$为Digamma 函数,有:
\begin{align}\psi\left(n+\frac{1}{2} \right)&=-\gamma-2\ln2+\sum\limits_{k=1}^n{\frac{2}{2k-1}}.\\\psi\left(\frac{1}{2}\right)&=-\gamma-2\ln2\end{align}
解:
第二题是个重要的Steffensen积分不等式
设$f,g\in \mathcal{R}[a,b]$,且$f$在$[a,b]$单减,$0<g(x)\leq1$,求证:
\[\int_{b-\lambda}^b{f(x)dx}\leq\int_a^b{f(x)g(x)dx}\leq\int_a^{a+\lambda}{f(x)dx}.\]
其中\[\lambda=\int_a^b{g(x)dx}.\]
证:先证明右边不等式
\begin{align*}&\int_a^{a + \lambda } {f\left( x \right)dx} - \int_a^b {f\left( x \right)g\left( x \right)dx} = \int_a^{a + \lambda } {f\left( x \right)\left[ {1 - g\left( x \right)} \right]dx} - \int_{a + \lambda }^b {f\left( x \right)g\left( x \right)dx}\\ &\ge f\left( {a + \lambda } \right)\int_a^{a + \lambda } {\left[ {1 - g\left( x \right)} \right]dx} = f\left( {a + \lambda } \right)\left( {\lambda - \int_a^{a + \lambda } {g\left( x \right)dx} } \right) - \int_{a + \lambda }^b {f\left( x \right)g\left( x \right)dx} \\&= f\left( {a + \lambda } \right)\int_{a + \lambda }^b {g\left( x \right)dx} - \int_{a + \lambda }^b {f\left( x \right)g\left( x \right)dx} = \int_{a + \lambda }^b {\left[ {f\left( {a + \lambda } \right) - f\left( x \right)} \right]g\left( x \right)dx} \ge 0\end{align*}
左边不等式同理可证.
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