

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
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
2364
Watson's Triple Integrals
Watson (1939) considered the following three triple integrals,
![]() |
![]() |
![]() |
(1) |
![]() |
![]() |
![]() |
(2) |
![]() |
![]() |
![]() |
(3) |
![]() |
![]() |
![]() |
(4) |
![]() |
![]() |
![]() |
(5) |
![]() |
![]() |
![]() |
(6) |
![]() |
![]() |
![]() |
(7) |
![]() |
![]() |
![]() |
(8) |
![]() |
![]() |
![]() |
(9) |
![]() |
![]() |
![]() |
(10) |
![]() |
![]() |
![]() |
(11) |
![]() |
![]() |
![]() |
(12) |
![]() |
![]() |
![]() |
(13) |
![]() |
![]() |
![]() |
(14) |
(OEIS A091670, A091671, and A091672), where
is a complete elliptic integral of the first kind,
is a Jacobi theta function, and
is the gamma function. Analytic computation of these integrals is rather challenging, especially
and
.
Watson (1939) treats all three integrals by making the transformations
![]() |
![]() |
![]() |
(15) |
![]() |
![]() |
![]() |
(16) |
![]() |
![]() |
![]() |
(17) |
regarding
,
, and
as Cartesian coordinates, and changing to polar coordinates,
![]() |
![]() |
![]() |
(18) |
![]() |
![]() |
![]() |
(19) |
![]() |
![]() |
![]() |
(20) |
after writing
.
Performing this transformation on
gives
![]() |
![]() |
![]() |
(21) |
![]() |
![]() |
![]() |
(22) |
![]() |
![]() |
![]() |
(23) |
![]() |
![]() |
![]() |
(24) |
can then be directly integrated using computer algebra, although Watson (1939) used the additional transformation
![]() |
(25) |
to separate the integral into
![]() |
![]() |
![]() |
(26) |
![]() |
![]() |
![]() |
(27) |
![]() |
![]() |
![]() |
(28) |
The integral
can also be done by performing one of the integrations
![]() |
(29) |
with
to obtain
![]() |
(30) |
Expanding using a binomial series
![]() |
![]() |
![]() |
(31) |
![]() |
![]() |
![]() |
(32) |
where
is a Pochhammer symbol and
![]() |
(33) |
Integrating gives
![]() |
![]() |
![]() |
(34) |
![]() |
![]() |
![]() |
(35) |
![]() |
![]() |
![]() |
(36) |
![]() |
![]() |
![]() |
(37) |
Now, as a result of the amazing identity for the complete elliptic integral of the first kind 
![]() |
(38) |
where
is the complementary modulus and
(Watson 1908, Watson 1939), it follows immediately that with
(i.e.,
, the first singular value),
![]() |
(39) |
so
![]() |
![]() |
![]() |
(40) |
![]() |
![]() |
![]() |
(41) |
can be transformed using the same prescription to give
![]() |
![]() |
![]() |
(42) |
![]() |
![]() |
![]() |
(43) |
![]() |
![]() |
![]() |
(44) |
![]() |
![]() |
![]() |
(45) |
![]() |
![]() |
![]() |
(46) |
![]() |
![]() |
![]() |
(47) |
where the substitution
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
to obtain term by term integration that can then be recombined as recognized as
![]() |
(51) |
(Watson 1939).
For
, only a single integration can be done analytically, namely
![]() |
(52) |
It can be reduced to a single infinite sum by defining
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
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.
الاكثر قراءة في التفاضل و التكامل
اخر الاخبار
اخبار العتبة العباسية المقدسة
الآخبار الصحية












































































































































قسم الشؤون الفكرية يصدر كتاباً يوثق تاريخ السدانة في العتبة العباسية المقدسة
"المهمة".. إصدار قصصي يوثّق القصص الفائزة في مسابقة فتوى الدفاع المقدسة للقصة القصيرة
(نوافذ).. إصدار أدبي يوثق القصص الفائزة في مسابقة الإمام العسكري (عليه السلام)