\[\Large\displaystyle \int_0^{1} \frac{\arccos^4 \left(x^2\right)}{\sqrt{1-x^2}}\,\mathrm{d}x\]


\(\Large\mathbf{Solution:}\)
Let \(I\) denote the integral. Using the substitution \(x=\sqrt{\cos t}\), we get
\[I=\frac{1}{2}\int_0^{\frac{\pi}{2}}\frac{t^4\sin(t)}{\sqrt{\cos t-\cos^2t}}\mathrm{d}t=\frac{1}{\sqrt{2}}\int_0^{\frac{\pi}{2}}\frac{t^4\cos\left(\dfrac{t}{2} \right)}{\sqrt{1-2\sin^2\left(\dfrac{t}{2} \right)}}\mathrm{d}t\]
Next, substitute \(\displaystyle 2\sin^2\left(\frac{t}{2}\right)=\sin^2\theta\) to get
\[I=16\int_0^{\frac{\pi}{2}}\left[\sin^{-1}\left(\frac{\sin\theta}{\sqrt{2}} \right) \right]^4\; \mathrm{d}\theta\]
Now, plug in the series \(\displaystyle (\sin^{-1}z)^4=\sum_{k=1}^\infty \frac{H_{k-1}^{(2)}(2z)^{2k}}{k^2\dbinom{2k}{k}}\) and integrate termwise:
\[\begin{align*} I &= 24\int_0^{\frac{\pi}{2}}\left(\sum_{k=1}^\infty \frac{H_{k-1}^{(2)}2^k}{k^2\dbinom{2k}{k}}\sin^{2k}(\theta) \right)\; \mathrm{d}\theta= 24\sum_{k=1}^\infty \frac{H_{k-1}^{(2)}2^k}{k^2\dbinom{2k}{k}}\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^{2k}(\theta)\mathrm{d}\theta \\ &= 12\pi \sum_{k=1}^\infty \frac{H_{k-1}^{(2)}2^k}{k^2\dbinom{2k}{k}}\left(\frac{\dbinom{2k}{k}}{2^{2k}} \right)= 12\pi\sum_{k=1}^\infty \frac{H_{k-1}^{(2)}}{k^2 2^k}= 12\pi\sum_{k=1}^\infty \frac{\zeta(2)-\psi_1(k)}{k^2 2^k} \\ &= 12\pi\zeta(2)\text{Li}_2\left(\frac{1}{2}\right)-12\pi\sum_{n=1}^\infty\frac{\psi_1(k)}{k^2 2^k} \end{align*}\]


For the last series
\[\begin{align*} \sum_{n=1}^\infty\frac{\psi_1(n)}{2^n n^2} &= -\sum_{n=1}^\infty\psi_1(n)\left(\frac{\ln(2)}{2^n n}+\int_0^{\frac{1}{2}} x^{n-1}\ln(x)\mathrm{d}x\right) \\ &= -\ln(2)\sum_{n=1}^\infty\frac{\psi_1(n)}{2^n n}-\int_0^{1\over 2}\frac{\ln(x)}{1-x}\left(\zeta(2)-\text{Li}_2(x) \right)\mathrm{d}x \tag{1} \end{align*}\]
1.Evaluation of\(\displaystyle \int_0^{1\over 2}\frac{\ln(x)}{1-x}\left(\zeta(2)-\text{Li}_2(x) \right)\mathrm{d}x\)
Using the identity \(\text{Li}_2(x)+\text{Li}_2(1-x)=\zeta(2)-\ln(x)\ln(1-x)\), we have
\[\begin{align*} \int_0^{1\over 2}\frac{\ln(x)}{1-x}\left(\zeta(2)-\text{Li}_2(x) \right)\mathrm{d}x &= \color{red}{\int_0^{1\over 2}\frac{\ln^2(x)\ln(1-x)}{1-x}\mathrm{d}x}+\int_0^{1\over 2}\frac{\ln(x)\text{Li}_2(1-x)}{1-x}\mathrm{d}x \\ &={-\frac{\pi^4}{360}-\frac{\ln^4(2)}{4}}+{\left(\frac{1}{2}\text{Li}_2^2(1-x) \right)\Bigg|_0^{1\over 2}} \\ &= -\frac{19\pi^4}{1440}-\frac{\pi^2}{24}\ln^2(2)-\frac{\ln^4(2)}{8}\tag{2} \end{align*}\]
The red integral was evaluated using equation 12 on page 310 of Leonard Lewin - Polylogarithms and associated functions. The proof is discussed on page 203 and 204.
2.Evaluation of\(\displaystyle \sum_{n=1}^\infty\frac{\psi_1(n)}{2^n n}\)
\[\begin{align*} \sum_{n=1}^\infty\frac{\psi_1(n)}{2^n n}& = \sum_{n=1}^\infty \psi_1(n)\int_0^{1\over 2}x^{n-1}\mathrm{d}x \\
&= \int_0^{\frac{1}{2}}\frac{\zeta(2)-\text{Li}_2(x)}{1-x}\mathrm{d}x\\
&= \color{Purple}{\int_0^{1\over 2}\frac{\ln(x)\ln(1-x)}{1-x}\mathrm{d}x}+\int_0^{1\over 2}\frac{\text{Li}_2(1-x)}{1-x}\mathrm{d}x\\
&= {\frac{\ln^3(2)}{2}+\frac{1}{2}\int_0^{\frac{1}{2}}\frac{\ln^2(1-x)}{x}\mathrm{d}x }+{\zeta(3)-\text{Li}_3\left(\frac{1}{2}\right)} \\ &= {\frac{\ln^3(2)}{2}+\frac{1}{2}\left( -\ln^3(2)-2\ln(2)\text{Li}_2\left(\frac{1}{2}\right)+2\zeta(3)-2\text{Li}_3\left( \frac{1}{2}\right)\right) }\\
&~~~+{\zeta(3)-\text{Li}_3\left(\frac{1}{2}\right)} \\ &= \frac{\pi^2}{12}\ln(2)+\frac{\ln^3(2)}{6}+\frac{\zeta(3)}{4}\tag{3} \end{align*}\]
The purple integral was evaluated using the generalized result found in this thread.
3.The Final Answer
Substitute (2) and (3) into (1) to get
\[\large\boxed{\displaystyle \sum_{n=1}^\infty\frac{\psi_1(n)}{2^n n^2}=\color{Teal}{\frac{19\pi^4}{1440}-\frac{\pi^2}{24}\ln^2(2)-\frac{\ln^4(2)}{24}-\frac{\zeta(3) \ln(2)}{4}}}\]


Hence The final result of the initial integral follows from the above answer
\[\Large\boxed{\displaystyle \int_0^{1} \frac{\arccos^4 \left(x^2\right)}{\sqrt{1-x^2}}\,\mathrm{d}x=\color{Blue}{ \frac{\pi^5}{120}+\frac{\pi }{2}\ln^4 2 + 3\pi \zeta(3)\ln 2 - \frac{\pi^{3} }{2}\ln^2 2}}\]

高次arccos积分的更多相关文章

  1. MATLAB入门学习(七)

    开始,线性代数和微积分了,不怕.不怕. 背命令就行了... 线性代数 解线性方程组: Ax=b A是系数矩阵,x未知数,b是列向量 如果有唯一解,直接x=b\A 第二 B=null(A,'r')求Ax ...

  2. HDU 5954 - Do not pour out - [积分+二分][2016ACM/ICPC亚洲区沈阳站 Problem G]

    题目链接:http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=5954 Problem DescriptionYou have got a cylindrical cu ...

  3. 【需求设计1】VIP积分系统无聊YY

    RT,想到什么就写什么呗,这是最简单的方式,顺便给自己做一个记录,反正自己记忆力也不太好.本文是仿陆金所的积分系统,自己YY的一套东西. 首先我想做一个VIP兑换投资卷的功能: 我们先来确定一些我知道 ...

  4. 搭建属于自己的VIP积分系统(1)

    很久没写博客了,如果有写得不好的地方,还请多多见谅. 架构设计 需求分析 这篇文章主要是介绍此VIP系统的基础架构.说实在的,我其实对 架构方面也不是很懂,我这套框架 还是拿别人的东西改过来的,并不是 ...

  5. 2015最新德淘W家(Windeln.de)新人优惠码wcode0520,赠1000积分,可抵10欧元

    德淘W家(Windeln.de)网址:www.windeln.de 德淘W家(Windeln.de)的新人优惠码wcode0520 第一次购物结账时输入wcode0520,提交订单,1000积分划入你 ...

  6. online_jf.lua --累计在线时间领取物品(积分)的lua脚本

    原作者: ayase 8-27修正 修复首次使用后的红字不需要额外进数据库导入计分表,这lua全自动生成 ----------------------------------------------- ...

  7. MySQL_积分兑换的优惠券在某时间段内使用情况_ 20161215

    积分兑换的优惠券在某时间段内使用情况 SELECT a.城市,a.用户ID,a.优惠券ID,a.优惠券名称,a.积分兑换优惠券的张数,b.使用优惠券数量,a.积分兑换优惠券的金额,b.使用优惠券金额 ...

  8. 【BZOJ-1502】月下柠檬树 计算几何 + 自适应Simpson积分

    1502: [NOI2005]月下柠檬树 Time Limit: 5 Sec  Memory Limit: 64 MBSubmit: 1017  Solved: 562[Submit][Status] ...

  9. 使用Redis实现用户积分排行榜的教程

    转载于:http://www.itxuexiwang.com/a/shujukujishu/redis/2016/0216/129.html?1455808528 排行榜功能是一个很普遍的需求.使用 ...

随机推荐

  1. batchsize用法 以及实现前向运算的矩阵乘法方式

    batchsize用法 以及实现前向运算的矩阵乘法方式 待办 使用batchsize可以把矩阵缩小,采用矩阵乘法的形式可以一次计算多个经过神经网络的结果,然后通过交叉熵进行计算总的损失得到结果. 所以 ...

  2. 阿里云 Linux 挂在硬盘 翻了几篇这个最好

    原文 :https://www.jianshu.com/p/fa587bbfbb60 阿里云数据盘挂载完整过程 阿里云挂载云盘第一步 在阿里云管理员后台,云盘管理中心挂载好云盘在哪个服务器上面. 登录 ...

  3. mybatis(六):设计模式 - 组合模式

  4. pikaqiu练习平台(CSRF(跨站请求伪造) )

    CSRF(跨站请求伪造)   CSRF(跨站请求伪造)概述 Cross-site request forgery 简称为“CSRF”,在CSRF的攻击场景中攻击者会伪造一个请求(这个请求一般是一个链接 ...

  5. js/jquery加入的select value显示不正确问题

    最近有需求,通过js添加select到表格中,虽然通过append加入的代码中select的value为2 但是实际显示出来的结果不对,百度之后没有找到答案,自己想了个办法 var selects = ...

  6. pycharm通过unittest框架批量执行Python脚本用例

    1.如下图点击进入配置页 2.新增一个配置,“2”标签选择要执行的脚本的目录或者脚本文件,“3”标签选择要执行的脚本的目录

  7. NOIP做题练习(day2)

    A - Reign 题面 题解 最大子段和+\(DP\). 预处理两个数组: \(p[i]\)表示 \(i\) 之前的最大子段和. \(l[i]\)表示 \(i\) 之后的最大子段和. 最后直接输出即 ...

  8. [lua]紫猫lua教程-命令宝典-L1-01-11. lua的个人补充

    1.关于三目运算符的一些补充和纠正 前面没看仔细  a>b ? a: b 这个形式 似乎lua下并不存在...要了命 一般都是使用  a and b or c 的形式 但是这种形式存在一些问题 ...

  9. Go网络编程UDP

    package main import ( "fmt" "net" "strings" ) // UDP server func main( ...

  10. 在x64的Ubuntu系统下安装64bit的交叉编译工具aarch64-linux-gnu-gcc【转】

    sudo apt-cache search aarch64 查看哪些版本可以安装: sudo apt--aarch64-linux-gnu 安装一个gcc开头的5版本的支持64bit ARM linu ...