Iv CAL2 • Integrales

CALC_BEE_534

Olimpiada Matemática

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Enunciado

Calcular el valor de la siguiente integral definida:
$$ \int_{0}^{1} \frac{\log(1 + x^2 + x^3 + x^4 + x^5 + x^6 + x^7 + x^9)}{x} \, dx $$

Solución Paso a Paso

1. Análisis del argumento del logaritmo:
Observamos el polinomio $P(x) = 1 + x^2 + x^3 + x^4 + x^5 + x^6 + x^7 + x^9$. Podemos intentar factorizarlo o relacionarlo con series geométricas. Notamos que faltan los términos $x^1$ y $x^8$ para completar una progresión geométrica simple. Reescribimos el polinomio buscando factores comunes:
$$ 1 + x^2 + x^3 + x^4 + x^5 + x^6 + x^7 + x^9 = (1+x^2+x^4+x^6)(1+x^3) $$
Verificamos la expansión:
$(1+x^2+x^4+x^6) + (x^3+x^5+x^7+x^9) = 1 + x^2 + x^3 + x^4 + x^5 + x^6 + x^7 + x^9$.
Efectivamente, coincide. Ahora simplificamos cada factor usando la suma de progresiones geométricas:
$$ 1+x^2+x^4+x^6 = \frac{1-(x^2)^4}{1-x^2} = \frac{1-x^8}{1-x^2} $$
Por lo tanto, el argumento es:
$$ P(x) = \frac{(1-x^8)(1+x^3)}{1-x^2} $$

2. Propiedades de los logaritmos:
Sustituimos en la integral y usamos $\log(abc) = \log a + \log b - \log c$:
$$ I = \int_{0}^{1} \frac{\log(1-x^8)}{x} dx + \int_{0}^{1} \frac{\log(1+x^3)}{x} dx - \int_{0}^{1} \frac{\log(1-x^2)}{x} dx $$

3. Uso de la función Dilogaritmo o series:
Sabemos que $\int_0^1 \frac{\log(1-x^n)}{x} dx = -\frac{\pi^2}{6n}$ y $\int_0^1 \frac{\log(1+x^n)}{x} dx = \frac{\pi^2}{12n}$.
Aplicamos a cada término:
  • $I_1 = \int_{0}^{1} \frac{\log(1-x^8)}{x} dx = -\frac{1}{8} \frac{\pi^2}{6} = -\frac{\pi^2}{48}$
  • $I_2 = \int_{0}^{1} \frac{\log(1+x^3)}{x} dx = \frac{1}{3} \frac{\pi^2}{12} = \frac{\pi^2}{36}$
  • $I_3 = \int_{0}^{1} \frac{\log(1-x^2)}{x} dx = -\frac{1}{2} \frac{\pi^2}{6} = -\frac{\pi^2}{12}$


4. Cálculo final:
$$ I = -\frac{\pi^2}{48} + \frac{\pi^2}{36} - \left( -\frac{\pi^2}{12} \right) = \frac{-3\pi^2 + 4\pi^2 + 12\pi^2}{144} = \frac{13\pi^2}{144} $$
$$ \boxed{\frac{13\pi^2}{144}} $$

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