定义
卡塔兰常数(Catalan’s Constant)常用字母 G 表示, 我们先来看看它的定义:
级数定义式: G:=∑n=0∞(2n+1)2(−1)n,积分定义式:G:=−∫0π/4lntanx dx
这两种定义可以互相转化:作换元 t=tanx, 有
G=−∫0π/4lntanx dx=−∫01lnt darctant=[−lnt⋅arctant]01+∫01tarctant dt=0+∫01n=0∑∞2n+1(−1)nt2n dt=n=0∑∞(−1)n∫012n+1t2n dt=n=0∑∞(−1)n[(2n+1)2t2n+1]01=n=0∑∞(2n+1)2(−1)n.
由它的定义和上述推导过程, 有
(1)
∫0π/4lntanx dx=−G.
(2)
∫0π/4lncotx dx=G.
(3)
∫01tarctant dt=G.
这三个积分表达式的任何一个都可以作为卡塔兰常数的积分定义式.
相关积分
先证明两个常见的不含卡塔兰常数的积分等式:
①
∫0π/2lnsinx dx=−2πln2.
②
∫0π/4ln(1+tanx) dx=8πln2.
证:
======∫0π/2lnsinx dx∫0π/2lncosx dx21∫0π/2(lnsinx+lncosx) dx21∫0π/2(lnsin2x+ln21) dx41∫0πlnsinx dx+21⋅(ln21)⋅2π21∫0π/2lnsinx dx−4πln2−2πln2.
=====∫0π/4ln(1+tanx) dx∫0π/4ln(1+tan(4π−x)) dx∫0π/4ln(1+1+tanx1−tanx) dx∫0π/4(ln2−ln(1+tanx)) dx4πln2−∫0π/4(ln(1+tanx)) dx8πln2.
接下来推导 19 个跟卡塔兰常数有关的积分等式:
(4)
∫0π/4lnsinx dx=−21G−4πln2.
(5)
∫0π/4lncosx dx=21G−4πln2.
证:
====∫0π/4lnsinx dx+∫0π/4lncosx dx∫0π/4ln(sinxcosx) dx∫0π/4lnsin2x dx+∫0π/4ln21 dx21∫0π/2lnsinx dx−4πln2=21(−2πln2)−4πln2−2πln2.
∫0π/4lncosx dx−∫0π/4lnsinx dx=∫0π/4lncotxdx=G.
(6)
∫0π/2ln(1+sinx) dx=2G−2πln2.
(7)
∫0π/2ln(1+cosx) dx=2G−2πln2.
证:
=====∫0π/2ln(1+cosx) dx∫0π/2ln(2cos22x) dx2πln2+2∫0π/2lncos2x dx2πln2+4∫0π/4lncosx dx2πln2+4(21G−4πln2)2G−2πln2.
由区间再现得(6)=(7).
(8)
∫0π/21+cosxxsinxdx=2G−2πln2.
(9)
∫0π/21+sinxxcosxdx=−2G+πln2.
证:
由
∫0π/2ln(1+cosx) dx=[xln(1+cosx)]02π−∫0π/21+cosx−xsinxdx=∫0π/21+cosxxsinx dx.
得
∫0π/21+cosxxsinx dx=2G−2πln2.
由
∫0π/2ln(1+sinx) dx==[xln(1+sinx)]02π−∫0π/21+sinxxcosxdx=2πln2−∫0π/21+sinxxcosx dx.
得
∫0π/21+sinxxcosx dx=−2G+πln2.
(10)
∫0π/2ln(1−cosx) dx=−2G−2πln2.
(11)
∫0π/2ln(1−sinx) dx=−2G−2πln2.
证:
=====∫0π/2ln(1−cosx) dx∫0π/2ln(2sin22x) dx2πln2+2∫0π/2lnsin2x dx2πln2+4∫0π/4lnsinx dx2πln2+4(−21G−4πln2)−2G−2πln2.
由区间再现得(11)=(10).