关于含反三角函数与对数的不定积分求解验证及定积分收敛性与计算的技术咨询
给定积分如下:
$$
\int_{ }^{ }\frac{\left(\arccos\left(x\right)\sqrt{1-x{2}}\right){-1}}{\log_{e}\left(1+\frac{\arcsin\left(2x\sqrt{1-x^{2}}\right)}{\pi}\right)}dx
$$
我没办法用LaTeX写出全部推导过程,但我有手写的推导步骤(我知道结果里漏了$+C$)。
我清楚我的归纳证明在语法和数学规范上不够严谨,但通过证明$I_n$与$I_{n+1}$的递推关系,且验证$I_1$符合该关系,我认为猜想是成立的,最终得到如下修正后的解(原答案漏了积分外的负号):
$$
-\frac{1+\frac{2}{\pi}\cos{-1}\left(x\right)}{\ln\left(1+\frac{2}{\pi}\cos{-1}\left(x\right)\right)}\cdot\sum_{n=0}{\infty}\frac{n!}{\left(\ln\left(1+\frac{2}{\pi}\cos{-1}\left(x\right)\right)\right){n}}+\frac{\pi}{2}\ln\left(\ln\left(1+\frac{2}{\pi}\cos{-1}\left(x\right)\right)\right) + c
$$
我不确定是否还有其他小错误,所以想确认这个结果是否正确。我的困惑在于:Wolfram Alpha和积分计算器都表示该积分没有初等函数解,而且在计算定积分时给出的结果很奇怪。
接下来我还有几个疑问:
- 如果是定积分的话,这个求和式是不是总是发散到无穷?这是不是意味着任何定积分的结果都是无穷?或者会出现无穷减无穷等于0的情况?但这和函数图像不符,也和计算机计算的结果矛盾。
- Wolfram Alpha等工具说它没有初等函数形式的原函数,是不是因为我的解里包含求和式?但求和式也算初等函数吗?
- 能不能找到这个定积分的函数表达式,至少是它的数值?比如能不能找到区间$1 > b > a > 0$上的定积分通式?因为函数图像显示这个区间内的积分应该是收敛的(函数在$x=0$、$x\ge1$、$x\le-1$处无定义)。
我用积分计算器计算了从0.1到0.9的近似积分,结果大约是−4.73170536005842,但这显然有问题——因为在0.1到0.9之间函数图像是正的。该区间内的函数图像描述:图像始终位于x轴上方,面积应为正,后来发现计算结果为负是因为上限小于下限的操作失误。
编辑补充:
经过一些研究,我发现$\int \frac{e^u}{u}du$是指数积分$\text{Ei}(u)$。不过维基百科上的求和式和我的差了一个负号,分母的系数也有差异,我还没完全搞懂其中的原理,也不明白为什么在函数有定义的区间内定积分没有确定值。我知道$\text{Ei}$不是初等函数,但不理解这为什么会和定积分产生矛盾。
我还是不确定这个解对应的定积分怎么计算,因为求和式看起来对所有$u$值都是发散的(阶乘的增长速度比指数快),但这和函数图像显示的“特定区间内存在确定面积”的情况矛盾。
另外,Wolfram Alpha给出的$\int \frac{e^{2u}}{u}du = \text{Ei}(2u)$,如果按照$\int \frac{e^u}{u}du = \text{Ei}(u) = \frac{eu}{u}\sum_{n=0}{\infty}\frac{n!}{u^n}$来推导,和我的结果也不一致。而且用$\text{Ei}(2x)$计算0.1到0.9的定积分时,结果还是负的,这和该区间内函数严格为正的事实不符。
希望能得到相关帮助!
备注:内容来源于stack exchange,提问作者Mihindu




