المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر
غزوة الحديبية والهدنة بين النبي وقريش
2024-11-01
بعد الحديبية افتروا على النبي « صلى الله عليه وآله » أنه سحر
2024-11-01
المستغفرون بالاسحار
2024-11-01
المرابطة في انتظار الفرج
2024-11-01
النضوج الجنسي للماشية sexual maturity
2024-11-01
المخرجون من ديارهم في سبيل الله
2024-11-01


Watson,s Triple Integrals  
  
1708   07:53 مساءً   date: 17-9-2018
Author : Bailey, D. H.; Borwein, J. M.; Kapoor, V.; and Weisstein, E. W
Book or Source : "Ten Problems in Experimental Mathematics." Amer. Math. Monthly 113
Page and Part : ...


Read More
Date: 12-8-2018 1668
Date: 6-8-2019 1995
Date: 25-8-2018 2074

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.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.