\[\Large\int_0^1\frac{\arctan x \,\operatorname{arctanh} x\, \ln x}{x}\mathrm{d}x=\frac{\pi^2}{16}\mathbf{G}-\frac{7\pi}{32}\zeta(3)\]


\(\Large \mathrm{\mathbf{Proof:}}\)

Let \(n=0,1,2,\cdots\), We define \(I,I_{1,n},I_{2,n}\) and \(I_n\) as follows:
\[\begin{align*}I &= \int_0^1 \frac{\ln(x)\tan^{-1}(x)\tanh^{-1}(x)}{x}\mathrm{d}x~~,~~I_{1,n} =\int_0^1 x^{2n}\ln(x)\ln(1-x)\; \mathrm{d}x \\ I_{2,n}&=\int_0^1 x^{2n}\ln(x)\ln(1+x)\; \mathrm{d}x~~,~~I_n = \int_0^1 x^{2n} \ln(x)\tanh^{-1}(x)\; \mathrm{d}x \end{align*}\]
Part I : Evaluation of \(I_{1,n}\), \(I_{2,n}\) and \(I_n\)
\[\begin{align*} I_{1,n} &= \int_0^1 x^{2n}\ln(x)\ln(1-x) \mathrm{d}x= \int_0^1 x^{2n}\ln(x)\left(-\sum_{j=1}^\infty \frac{x^j}{j} \right) \mathrm{d}x\\
&= -\sum_{j=1}^\infty \frac{1}{j} \int_0^1 x^{2n+j}\ln(x) \mathrm{d}x= \sum_{j=1}^\infty \frac{1}{j\left(2n+1+j \right)^2}\\
&= \frac{1}{(2n+1)^2}\sum_{j=1}^\infty \left(\frac{1}{j}-\frac{1}{j+2n+1} \right)-\frac{1}{(2n+1)}\sum_{j=1}^\infty \frac{1}{(j+2n+1)^2}\\ &= \frac{\gamma +\psi_0(2n+2)}{(2n+1)^2}-\frac{\psi_1(2n+2)}{2n+1} \tag{1} \end{align*}\]
Similarly,
\[\begin{align*} I_{2,n}&=\int_0^1 x^{2n}\ln(x)\ln(1+x) \mathrm{d}x = \int_0^1 x^{2n}\ln(x)\left(\sum_{j=1}^\infty\frac{(-1)^{j+1}x^j}{j} \right) \mathrm{d}x\\&= \sum_{j=1}^\infty \frac{(-1)^{j+1}}{j}\int_0^1 x^{2n+j}\ln(x) \mathrm{d}x = \sum_{j=1}^\infty \frac{(-1)^{j}}{j\left(2n+1+j \right)^2} \\ &= \frac{1}{(2n+1)^2}\sum_{j=1}^\infty \frac{(-1)^j}{j}-\frac{1}{(2n+1)^2}\sum_{j=1}^\infty\frac{(-1)^j}{j+2n+1}-\frac{1}{2n+1}\sum_{j=1}^\infty \frac{(-1)^j}{(j+2n+1)^2} \\ &= -\frac{\ln(2)}{(2n+1)^2}+\frac{\psi_0\left( n+\dfrac{3}{2}\right)-\psi_0(n+1)}{2(2n+1)^2}+\frac{\psi_1(n+1)-\psi_1\left(n+\dfrac{3}{2} \right)}{4(2n+1)} \end{align*}\]
We can make some simplifications using the following identities:
\[\begin{align*} \psi_0\left(n+\frac{3}{2} \right) &= 2\psi_0(2n+2)-\psi_0(n+1)-2\ln(2) \\ \psi_1\left( n+\frac{3}{2}\right) &= 4\psi_1(2n+2)-\psi_1(n+1) \end{align*}\]
So, \(I_{2,n}\) can be written as:
\[\begin{align*} I_{2,n}&= -\frac{2\ln(2)}{(2n+1)^2}+\frac{\psi_0(2n+2)-\psi_0(n+1)}{(2n+1)^2}+\frac{2\psi_1(n+1)-4\psi_1(2n+2)}{4(2n+1)} \tag{2} \end{align*}\]
Also note that \(\displaystyle I_n=\frac{I_{2,n}-I_{1,n}}{2}\). Therefore,
\[\begin{align*}
I_n=-\frac{\ln(2)}{(2n+1)^2}-\frac{\gamma+\psi_0(n+1)}{2(2n+1)^2}+\frac{\psi_1(n+1)}{4(2n+1)}\tag{3}
\end{align*}\]
Part II : Expressing \(I\) in terms of Euler Sums
\[\begin{align*} I &= \int_0^1 \frac{\ln(x)\tan^{-1}(x)\tanh^{-1}(x)}{x}\mathrm{d}x= \int_0^1 \frac{\ln(x)\tanh^{-1}(x)}{x}\left(\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{2n+1}x^{2n+1} \right)\mathrm{d}x \\ &= \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{2n+1} \int_0^1 x^{2n}\ln(x)\tanh^{-1}(x) \mathrm{d}x= \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{2n+1} I_n \\ &= \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{2n+1}\left(-\frac{\ln(2)}{(2n+1)^2}-\frac{\gamma+\psi_0(n+1)}{2(2n+1)^2}+\frac{\psi_1(n+1)}{4(2n+1)} \right) \\ &= -\ln(2)\frac{\pi^3}{32}-\frac{1}{2}\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n+1)^3}\left( \gamma+\psi_0(n+1)\right)+\frac{1}{4}\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n \psi_1(n+1)}{(2n+1)^2} \end{align*}\]
Let us denote the euler sums by \(E_1\) and \(E_2\):
\[E_1 = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n+1)^3}\left( \gamma+\psi_0(n+1)\right)~~,~~E_2 = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n \psi_1(n+1)}{(2n+1)^2}\]
Part III : Evaluation of \(E_1\)
We use the FS-contour method. Let \(\displaystyle f(z)=\frac{\pi\csc(\pi z) \left(\gamma+\psi_0(-z) \right)}{(2z+1)^3}\). Then the sum of all residues of \(f(z)\) is zero.
The sum of the residues at the negative integers is equal to:
\[\sum_{n=1}^{\infty}\text{Res}_{z=-n}f(z) = \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1} \left(\gamma+\psi_0(n) \right)}{(2n-1)^3}= E_1 \]
At \(z=-\dfrac{1}{2}\), the residue is
\[\text{Res}_{z=-1/2}f(z) = \frac{\pi^3}{8}\ln(2)+\frac{7\pi}{8}\zeta(3)\]
The sum of the residues at the positive integers is:
\[\sum_{n=0}^{\infty}\text{Res}_{z=n}f(z) = \sum_{n=0}^\infty \left(-6\frac{(-1)^n}{(2n+1)^4}+\frac{(-1)^n H_n}{(2n+1)^3} \right)= -6\beta(4)+E_1\]
Therefore,
\[E_1+\frac{\pi^3}{8}\ln(2)+\frac{7\pi}{8}\zeta(3)+E_1-6\beta(4) = 0 \implies E_1 = \boxed{3\beta(4)-\dfrac{7\pi}{16}\zeta(3)-\dfrac{\pi^3}{16}\ln(2)} \]
Part IV : Evaluation of \(E_2\)
This time we use FS contour method to the function \(\displaystyle g(z)=\frac{\pi\csc(\pi z)\psi_1(-z)}{(2z+1)^2}\).
The sum of the residues at the negative integers is:
\[\sum_{n=1}^\infty \text{Res}_{z=-n}g(z) =-\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1}\psi_1(n)}{(2n-1)^2} = -E_2 \]
The residue at \(z=-\dfrac{1}{2}\) is :
\[\text{Res}_{z=-1/2}g(z)=-\frac{7\pi}{2}\zeta(3)\]
The sum of the residues at the positive integers is:
\[\begin{align*} \sum_{n=0}^\infty \text{Res}_{z=n}g(z) &= \sum_{n=0}^\infty \left(12\frac{(-1)^n}{(2n+1)^4}+\frac{\pi^2 (-1)^n}{2(2n+1)^2} -\frac{(-1)^n\psi_1(n+1)}{(2n+1)^2}\right) \\ &= 12\beta(4)+\frac{\pi^2}{2}\mathbf{G}-E_2 \end{align*}\]
The sum of all the residues is zero. Therefore,
\[-E_2-\frac{7\pi}{2}\zeta(3)+12\beta(4)+\frac{\pi^2}{2}\mathbf{G}-E_2 = 0 \implies E_2 = \boxed{6\beta(4)-\dfrac{7\pi}{4}\zeta(3)+\dfrac{\pi^2}{4}\mathbf{G}}\]
Part V : The Final Answer
\[\begin{align*} I &= -\frac{\pi^3 \ln(2)}{32}-\frac{E_1}{2}+\frac{E_2}{4} \\ &= -\frac{\pi^3 \ln(2)}{32}-\frac{1}{2}\left(3\beta(4)-\frac{7\pi}{16}\zeta(3)-\frac{\pi^3}{16}\ln(2) \right)+\frac{1}{4}\left( 6\beta(4)-\frac{7\pi}{4}\zeta(3)+\frac{\pi^2}{4}\mathbf{G}\right) \\ &=\Large\boxed{\color{blue}{\dfrac{\pi^2}{16}\mathbf{G}-\dfrac{7\pi\zeta(3)}{32}}} \end{align*}\]

一个包含arctan与arctanh的积分的更多相关文章

  1. jquery[siblings]取得一个包含匹配的元素集合中每一个元素的所有唯一同辈元素的元素集合

    取得一个包含匹配的元素集合中每一个元素的所有唯一同辈元素的元素集合,用于筛选同辈元素的表达式 $("#pageList").click(function(){ $(this).pa ...

  2. 最短路径(给定一个包含非负整数的 m x n 网格,请找出一条从左上角到右下角的路径,使得路径上的数字总和为最小。 说明:每次只能向下或者向右移动一步。)

    给定一个包含非负整数的 m x n 网格,请找出一条从左上角到右下角的路径,使得路径上的数字总和为最小. 说明:每次只能向下或者向右移动一步. 例: 输入: [ [1,3,1], [1,5,1], [ ...

  3. 定义一个包含标签inclusion_tag, 调用模板时报错.. 应该是路径 不对吧...我的templates 是放在app 目录下的.<待处理>

    # 自定义模板标签. 标签的作用,在模板中 实现逻辑,如if ,for 等 from django.template import Library from datetime import datet ...

  4. EF5+MVC4系列(5) 删除的方法 1:系统推荐的先查询后remove删除的方法 2:自己new一个包含主键的类,然后 attach附加 remove删除;3:使用db.Entry 修改状态删除4:EntityState的几种状态

      我们还是以订单表为例   1:系统推荐的方法,先查询出来,然后调用remove方法进行删除 我们删除id大于等于4的 static void Main(string[] args) { Delet ...

  5. hdu6003 Problem Buyer 贪心 给定n个区间,以及m个数,求从n个区间中任意选k个区间,满足m个数都能在k个区间中找到一个包含它的区间,如果一个区间包含了x,那么 该区间不能再去包含另一个数,即k>=m。求最小的k。如果不存在这样的k,输出“IMPOSSIBLE!”。

    /** 题目:hdu6003 Problem Buyer 链接:http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=6003 题意:给定n个区间,以及m个数,求从n个区 ...

  6. Go“一个包含nil指针的接口不是nil接口”踩坑

    最近在项目中踩了一个深坑--"Golang中一个包含nil指针的接口不是nil接口",总结下分享出来,如果你不是很理解这句话,那推荐认真看下下面的示例代码,避免以后写代码时踩坑. ...

  7. Openfire Meetings插件是一个包含各种Jitsi项目(如VideoBridge和Meet)的实现

    Openfire Meetings插件是一个包含各种Jitsi项目(如VideoBridge和Meet)的实现.要创建与Openfire Meetings一起使用的本机客户端,建议使用Jitsi项目提 ...

  8. prev([expr]) 取得一个包含匹配的元素集合中每一个元素紧邻的前一个同辈元素的元素集合。

    prev([expr]) 概述 取得一个包含匹配的元素集合中每一个元素紧邻的前一个同辈元素的元素集合. 可以用一个可选的表达式进行筛选.只有紧邻的同辈元素会被匹配到,而不是前面所有的同辈元素.直线电机 ...

  9. parents([expr]) 取得一个包含着所有匹配元素的祖先元素的元素集合(不包含根元素)。可以通过一个可选的表达式进行筛选。

    parents([expr]) 概述 取得一个包含着所有匹配元素的祖先元素的元素集合(不包含根元素).可以通过一个可选的表达式进行筛选.大理石平台检定规程   参数 exprStringV1.0 用于 ...

随机推荐

  1. 解决:配置虚拟主机,重启apache,[warn] _default_ VirtualHost overlap on port 80, the first has precedence

    http://blog.csdn.net/kaizhu_qin/article/details/17506293 很多第一次配置apache的虚拟主机的时候,以为配置第一个虚拟主机完成以后,以后就不会 ...

  2. Digital filter

    https://ww2.mathworks.cn/help/signal/examples/practical-introduction-to-digital-filter-design.html D ...

  3. HTML学习(15)框架

    通过使用框架,你可以在同一个浏览器窗口中显示不止一个页面. <iframe src="//www.taobao.com" name="iframe_a" ...

  4. 每天进步一点点------Allegro 建立封装的一般步骤

    在制作封装之前,先确定你需要的焊盘,如果库中没有,那就要自己画了,(我就是自己画的) 制作二极管1N5822 SMD,实际尺寸:480milX520mil 一.添加元件焊盘 1 启动Allegro P ...

  5. 洛谷 P3805【模板】manacher算法

    题目链接:https://www.luogu.com.cn/problem/P3805 Manacher算法$O(n)$: 求以每个字符为中心的最长回文串的半径:如果要求可以以字符间隙为回文中心,就要 ...

  6. input file弹出框选择文件后缀限制

    在页面选择文件时的弹出框默认显示的是所有类型的文件,有时候文件太多不好选择,我们就要过滤掉不想展示的文件,这是需要用到input的accept属性,只有在type="file"才有 ...

  7. 安全文件传输协议之SFTP的使用

    一.SFTP概述 在前几篇文章,我们讲到了文件传输协议FTP(File Transfer Protocol),那也是使用比较广泛的文件服务器,但是我们需要知道,Linux系统并不自带FTP程序 如果要 ...

  8. for await of异步操作集合遍历

    function Gen (time) { return new Promise((resolve,reject) => { setTimeout(function () { resolve(t ...

  9. Python 字符串格式化操作 - format方法

    建议使用format()方法 字符串操作 对于 %, 官方以及给出这种格式化操作已经过时,在 Python 的未来版本中可能会消失. 在新代码中使用新的字符串格式.因此推荐大家使用format()来替 ...

  10. STM32程序烧录总结

    1.程序烧录方式 1)ST-LINK下载 2)SWD下载 SWD对应的引脚为:GND.RST.SWDIO.SWDCLK SWD与Jlink的比较 3)串口下载 串口下载不能直接在MDK点击Downlo ...