1

x

هدف البحث

بحث في العناوين

بحث في اسماء الكتب

بحث في اسماء المؤلفين

اختر القسم

القرآن الكريم
الفقه واصوله
العقائد الاسلامية
سيرة الرسول وآله
علم الرجال والحديث
الأخلاق والأدعية
اللغة العربية وعلومها
الأدب العربي
الأسرة والمجتمع
التاريخ
الجغرافية
الادارة والاقتصاد
القانون
الزراعة
علم الفيزياء
علم الكيمياء
علم الأحياء
الرياضيات
الهندسة المدنية
الأعلام
اللغة الأنكليزية

موافق

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

الرياضيات : التفاضل و التكامل :

Watson,s Triple Integrals

المؤلف:  Bailey, D. H.; Borwein, J. M.; Kapoor, V.; and Weisstein, E. W

المصدر:  "Ten Problems in Experimental Mathematics." Amer. Math. Monthly 113

الجزء والصفحة:  ...

17-9-2018

1760

Watson's Triple Integrals

 

Watson (1939) considered the following three triple integrals,

 

I_1 =

(1)

=

(2)

=

(3)

= 1.39320393...

(4)

I_2 =

(5)

=

(6)

=

(7)

=

(8)

I_3 =

(9)

=

(10)

=

(11)

=

(12)

=

(13)

= 0.505462019...

(14)

(OEIS A091670, A091671, and A091672), where K(k) is a complete elliptic integral of the first kind,  is a Jacobi theta function, and Gamma(z) is the gamma function. Analytic computation of these integrals is rather challenging, especially I_2 and I_3.

Watson (1939) treats all three integrals by making the transformations

x = tan(1/2u)

(15)

y = tan(1/2v)

(16)

z = tan(1/2w),

(17)

regarding xy, and z as Cartesian coordinates, and changing to polar coordinates,

x = rsinthetacosphi

(18)

y = rsinthetasinphi

(19)

z = rcostheta

(20)

after writing .

Performing this transformation on I_1 gives

I_1 =

(21)

=

(22)

=

(23)

=

(24)

I_1 can then be directly integrated using computer algebra, although Watson (1939) used the additional transformation

(25)

to separate the integral into

I_1 =

(26)

=

(27)

=

(28)

The integral I_1 can also be done by performing one of the integrations

(29)

with c=cosvcosw to obtain

(30)

Expanding using a binomial series

(1-c)^(-1/2) =

(31)

=

(32)

where (z)_n is a Pochhammer symbol and

(33)

Integrating gives

I_1 =

(34)

=

(35)

=

(36)

=

(37)

Now, as a result of the amazing identity for the complete elliptic integral of the first kind K(k)

(38)

where  is the complementary modulus and 0<k<=1/sqrt(2) (Watson 1908, Watson 1939), it follows immediately that with  (i.e., k=k_1, the first singular value),

(39)

so

I_1 =

(40)

=

(41)

I_2 can be transformed using the same prescription to give

I_2 =

(42)

=

(43)

=

(44)

=

(45)

=

(46)

=

(47)

where the substitution t=tantheta has been made in the last step. Computer algebra can return this integral in the form of a Meijer G-function

(48)

but more clever treatment is needed to obtain it in a nicer form. For example, Watson (1939) notes that

(49)

immediately gives

(50)

However, quadrature of this integral requires very clever use of a complicated series identity for K(k) to obtain term by term integration that can then be recombined as recognized as

(51)

(Watson 1939).

For I_3, only a single integration can be done analytically, namely

(52)

It can be reduced to a single infinite sum by defining w=(cosx+cosy+cosz)/3 and using a binomial series expansion to write

(53)

But this can then be written as a multinomial series and plugged back in to obtain

(54)

Exchanging the order of integration and summation allows the integrals to be done, leading to

(55)

Rather surprisingly, the sums over n_i can be done in closed form, yielding

(56)

where  is a generalized hypergeometric function. However, this sum cannot be done in closed form.

Watson (1939) transformed the integral to

(57)

However, to obtain an entirely closed form, it is necessary to do perform some analytic wizardry (see Watson 1939 for details). The fact that a closed form exists at all for this integral is therefore rather amazing.


REFERENCES:

Bailey, D. H.; Borwein, J. M.; Kapoor, V.; and Weisstein, E. W. "Ten Problems in Experimental Mathematics." Amer. Math. Monthly 113, 481-509, 2006b.

Borwein, J. and 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. and Zucker, I. J. "Extended Watson Integrals for the Cubic Lattices." Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 74, 1800-1801, 1977.

Joyce, G. and Zucker, I. J. "On the Evaluation of Generalized Watson Integrals." Proc. Amer. Math. Soc. 133, 71-81, 2005.

McCrea, W. H. and 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, and 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.

EN

تصفح الموقع بالشكل العمودي