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Watson 三重积分

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Watson (1939) 考虑了以下三个三重积分，

I_1=1/(pi^3)int_0^piint_0^piint_0^pi(dudvdw)/(1-cosucosvcosw)
(1)
=(4[K(1/2sqrt(2))]^2)/(pi^2)
(2)
=(Gamma^4(1/4))/(4pi^3)
(3)
=1.39320393...
(4)
I_2=1/(pi^3)int_0^piint_0^piint_0^pi(dudvdw)/(3-cosvcosw-coswcosu-cosucosv)
(5)
=(sqrt(3)[K(1/4(sqrt(6)-sqrt(2)))]^2)/(pi^2)
(6)
=(3Gamma^6(1/3))/(2^(14/3)pi^4)
(7)
=0.448220394...
(8)
I_3=1/(pi^3)int_0^piint_0^piint_0^pi(dudvdw)/(3-cosu-cosv-cosw)
(9)
=(4(18+12sqrt(2)-10sqrt(3)-7sqrt(6))[K((2-sqrt(3))(sqrt(3)-sqrt(2)))]^2)/(pi^2)
(10)
=(18+12sqrt(2)-10sqrt(3)-7sqrt(6))[1+2sum_(k=1)^(infty)exp(-k^2pisqrt(6))]^4
(11)
=(18+12sqrt(2)-10sqrt(3)-7sqrt(6))theta_3^4(0,e^(-pisqrt(6)))
(12)
=(sqrt(6))/(96pi^3)Gamma(1/(24))Gamma(5/(24))Gamma(7/(24))Gamma((11)/(24))
(13)
=0.505462019...
(14)

(OEIS A091670, A091671, 和 A091672), 其中 K(k) 是第一类完全椭圆积分, theta_3(0,q) 是 雅可比 theta 函数, 并且 Gamma(z) 是 伽玛函数。这些积分的解析计算相当具有挑战性，特别是 I_2 和 I_3。

Watson (1939) 通过进行变换处理了所有三个积分

x=tan(1/2u)
(15)
y=tan(1/2v)
(16)
z=tan(1/2w),
(17)

关于 x, y, 和 z 作为 笛卡尔坐标，并更改为 极坐标，

x=rsinthetacosphi
(18)
y=rsinthetasinphi
(19)
z=rcostheta
(20)

在写下 2phi=psi 之后。

对 I_1 执行此变换得到

I_1=8/(pi^3)int_0^inftyint_0^inftyint_0^infty(dxdydz)/((1+x^2)(1+y^2)(1+z^2)-(1-x^2)(1-y^2)(1-z^2))
(21)
=4/(pi^3)int_0^inftyint_0^inftyint_0^infty(dxdydz)/(x^2+y^2+z^2+x^2y^2z^2)
(22)
=4/(pi^3)int_0^(pi/2)int_0^(pi/2)int_0^infty(sinthetadrdthetadphi)/(1+r^4sin^4thetacos^2thetasin^2phicos^2phi)
(23)
=4/(pi^3)int_0^(pi/2)int_0^(pi/2)int_0^infty(sinthetadrdthetadpsi)/(1+1/4r^4sin^4thetacos^2thetasin^2psi).
(24)

I_1 然后可以直接使用计算机代数进行积分，尽管 Watson (1939) 使用了额外的变换

t=rsinthetasqrt(1/2costhetasinpsi)
(25)

将积分分离为

I_1=(4sqrt(2))/(pi^3)int_0^infty(dt)/(1+t^4)int_0^(pi/2)(dtheta)/(sqrt(costheta))int_0^(pi/2)(dpsi)/(sqrt(sinpsi))
(26)
=(4sqrt(2))/(pi^3)·pi/(2sqrt(2))·(Gamma^2(1/4))/(2sqrt(2pi))·(Gamma^2(1/4))/(2sqrt(2pi))
(27)
=(Gamma^4(1/4))/(4pi^3).
(28)

积分 I_1 也可以通过执行其中一个积分来完成

int_0^pi(du)/(1-ccosu)=pi/(sqrt(1-c^2))
(29)

其中 c=cosvcosw 得到

I_1=1/(pi^2)int_0^piint_0^pi(dvdw)/(sqrt(1-cos^2vcos^2w)).
(30)

使用二项式级数展开

(1-c)^(-1/2)=sum_(n=0)^(infty)((1/2)_n)/(n!)c^n
(31)
=sum_(n=0)^(infty)a_nc^n
(32)

其中 (z)_n 是 Pochhammer 符号，并且

a_n=((2n-1)!!)/((2n)!!).
(33)

积分得到

I_1=1/(pi^2)int_0^piint_0^pisum_(n=0)^(infty)a_ncos^(2n)vcos^(2n)wdvdw
(34)
=1/(pi^2)sum_(n=0)^(infty)a_n(int_0^picos^(2n)vdv)^2
(35)
=1/(pi^2)sum_(n=0)^(infty)a_n(pia_n)^2
(36)
=sum_(n=0)^(infty)a_n^3.
(37)

现在，由于第一类完全椭圆积分 K(k) 的惊人恒等式

[K(k)]^2=1/4pi^2sum_(n=0)^inftya_n^3(2kk^')^(2n),
(38)

其中 k^' 是互补模量，并且 0<k<=1/sqrt(2) (Watson 1908, Watson 1939), 立即得出结论，当 k=k^'=1/sqrt(2) (即，k=k_1，第一个奇异值) 时，

K(1/2sqrt(2))=1/4pi^2sum_(n=0)^inftya_n^3=1/4pi^2I_1,
(39)

因此

I_1=(4[K(1/2sqrt(2))]^2)/(pi^2)
(40)
=(Gamma^4(1/4))/(4pi^3).
(41)

I_2 可以使用相同的规则进行变换，得到

I_2=2/(pi^3)int_0^inftyint_0^inftyint_0^infty(dxdydz)/(3product(1+x^2)-sum(1-y^2)(1-z^2)(1+x^2))
(42)
=2/(pi^3)int_0^inftyint_0^inftyint_0^infty(dxdydz)/(x^2+y^2+z^2+y^2z^2+z^2x^2+x^2y^2)
(43)
=2/(pi^3)int_0^(pi/2)int_0^(pi/2)int_0^infty(sinthetadrdthetadphi)/(1+r^2sin^2theta(cos^2theta+sin^2psisin^2phicos^2phi))
(44)
=2/(pi^3)int_0^(pi/2)int_0^(pi/2)int_0^infty(sinthetadrdthetadpsi)/(1+r^2sin^2theta(cos^2theta+1/4sin^2thetasin^2psi))
(45)
=1/(pi^2)int_0^(pi/2)int_0^(pi/2)(dthetadpsi)/(sqrt(cos^2theta+1/4sin^2thetasin^2psi))
(46)
=1/(pi^2)int_0^(pi/2)int_0^infty(dtdpsi)/(sqrt((1+t^2)(1+1/4t^2sin^2psi))),
(47)

其中在最后一步中进行了替换 t=tantheta。计算机代数可以以 Meijer G-函数 的形式返回此积分

I_2=1/(2pi^(5/2))G_(3,3)^(3,2)(4|1/2,1/2,1/2; 0,0,0),
(48)

但是，需要更巧妙的处理才能以更漂亮的形式获得它。例如，Watson (1939) 指出

K^'(k^')=int_0^infty(dt)/(sqrt((1+t^2)(1+k^('2)t^2)))
(49)

立即给出

I_2=1/(pi^2)int_0^piK^'(1/2sinpsi)dpsi.
(50)

然而，这个积分的求积需要非常巧妙地使用 K(k) 的复杂级数恒等式，以获得可以重新组合为被识别为的逐项积分

I_2=(K(k_1)K(k_1^'))/(pi^2)
(51)

(Watson 1939)。

对于 I_3，只能解析地完成单个积分，即

int_(-pi)^pi1/(3-cosx-cosy-cosz)dz =-(2pi)/(sqrt((cosx+cosy-2)(cosx+cosy-4))).
(52)

通过定义 w=(cosx+cosy+cosz)/3 并使用 二项式级数 展开来写，它可以简化为单个无限和

1/w=1/3sum_(k=0)^inftyw^k=sum_(k=0)^infty1/(3^(k+1))(cosx+cosy+cosz)^k.
(53)

但是，这可以写成 多项式级数 并插回以获得

I_3=1/(pi^3)int_(-pi)^piint_(-pi)^piint_(-pi)^pisum_(k=0)^infty1/(3^(k+1))×sum_(n_1,n_2,n_3>=0; n_1+n_2+n_3=k)(k!)/(n_1!n_2!n_3!)cos^(n_1)xcos^(n_2)ycos^(n_3)zdxdydz.
(54)

交换积分和求和的顺序允许完成积分，从而得到

I_3=(pi^3)/3sum_(k=0)^infty1/(3^k)sum_(n_1,n_2,n_3>=0; n_1+n_2+n_3=k)(k!)/(n_1!n_2!n_3!) ×((-1)^(n_1+n_2+n_3)2^(n_1+n_2+n_3))/(Gamma^2(1/2(1-n_1))Gamma^2(1/2(1-n_2))Gamma^2(1/2(1-n_3))).
(55)

令人惊讶的是，n_i 上的和可以用闭合形式完成，产生

I_3=1/3sum_(n=0)^infty([(2n)!]^2)/(36^n(n!)^3)_3F_2(-n,-n,-n;1,1/2-n;1/4),
(56)

其中 _3F_2(a,b,c;d,e;z) 是广义超几何函数。然而，这个和不能以闭合形式完成。

Watson (1939) 将积分转换为

I_3=(2sqrt(2))/piint_0^(pi/2)int_0^infty(dtdpsi)/(sqrt((1+4t^2+3t^4sin^2psi)(1+t^2sin^2psi))).
(57)

然而，为了获得完全闭合的形式，有必要进行一些分析魔法（详见 Watson 1939）。因此，对于这个积分来说，闭合形式的存在本身就非常令人惊讶。

另请参阅

Pólya 随机游走常数, Watson 公式, Watson 恒等式

使用 探索

参考文献

Bailey, D. H.; Borwein, J. M.; Kapoor, V.; 和 Weisstein, E. W. "Ten Problems in Experimental Mathematics." Amer. Math. Monthly 113, 481-509, 2006b.Borwein, J. 和 Bailey, D. Mathematics by Experiment: Plausible Reasoning in the 21st Century. Wellesley, MA: A K Peters, 2003.Domb, C. "On Multiple Returns in the Random-Walk Problem." Proc. Cambridge Philos. Soc. 50, 586-591, 1954.Glasser, M. L. 和 Zucker, I. J. "Extended Watson Integrals for the Cubic Lattices." Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 74, 1800-1801, 1977.Joyce, G. 和 Zucker, I. J. "On the Evaluation of Generalized Watson Integrals." Proc. Amer. Math. Soc. 133, 71-81, 2005.McCrea, W. H. 和 Whipple, F. J. W. "Random Paths in Two and Three Dimensions." Proc. Roy. Soc. Edinburgh 60, 281-298, 1940.Sloane, N. J. A. Sequences A091670, A091671, 和 A091672 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."Watson G. N. "The Expansion of Products of Hypergeometric Functions." Quart. J. Pure Appl. Math. 39, 27-51, 1907.Watson G. N. "A Series for the Square of the Hypergeometric Function." Quart. J. Pure Appl. Math. 40, 46-57, 1908.Watson, G. N. "Three Triple Integrals." Quart. J. Math., Oxford Ser. 2 10, 266-276, 1939.

在 上被引用

Watson 三重积分

请引用为

Weisstein, Eric W. "Watson 三重积分。" 来自 Web 资源。 https://mathworld.net.cn/WatsonsTripleIntegrals.html

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