Cómo integrar [matemáticas] \ dfrac {x ^ {- n}} {x ^ 2 + 1} [/ matemáticas]

La respuesta anterior es muy buena. Creo que se incluye el mismo contenido si la respuesta se proporciona en términos de la función beta incompleta regularizada (definida en términos de una forma integral más general), que también se calcula utilizando relaciones de recursión:

Función beta

La función beta incompleta , una generalización de la función beta, se define como

[matemáticas] {\ displaystyle \ mathrm {B} (x; \, a, b) = \ int _ {0} ^ {x} t ^ {a-1} \, (1-t) ^ {b-1 } \, \ mathrm {d} t. \!} [/ math]

Para x = 1, la función beta incompleta coincide con la función beta completa. La relación entre las dos funciones es así entre la función gamma y su generalización, la función gamma incompleta.

La función beta incompleta regularizada (o la función beta regularizada para abreviar) se define en términos de la función beta incompleta y la función beta completa:

[matemáticas] {\ displaystyle I_ {x} (a, b) = {\ dfrac {\ mathrm {B} (x; \, a, b)} {\ mathrm {B} (a, b)}}. \ !}[/matemáticas]

La función beta incompleta regularizada es la función de distribución acumulativa de la distribución Beta, y está relacionada con la función de distribución acumulativa de una variable aleatoria X de una distribución binomial, donde la “probabilidad de éxito” es p y el tamaño de la muestra es n :

[matemáticas] {\ displaystyle F (k; n, p) = \ Pr (X \ leq k) = I_ {1-p} (nk, k + 1) = 1-I_ {p} (k + 1, nk ).}[/matemáticas]

Propiedades [ editar ]

[matemáticas] {\ displaystyle I_ {0} (a, b) = 0 \,} [/ matemáticas]

[matemáticas] {\ displaystyle I_ {1} (a, b) = 1 \,} [/ matemáticas]

[matemáticas] {\ displaystyle I_ {x} (a, 1) = x ^ {a} \,} [/ matemáticas]

[matemáticas] {\ displaystyle I_ {x} (1, b) = 1- (1-x) ^ {b} \,} [/ matemáticas]

[matemáticas] {\ displaystyle I_ {x} (a, b) = 1-I_ {1-x} (b, a) \,} [/ matemáticas]

[matemáticas] {\ displaystyle I_ {x} (a + 1, b) = I_ {x} (a, b) – {\ frac {x ^ {a} (1-x) ^ {b}} {aB ( a, b)}} \,} [/ matemáticas]

[matemáticas] {\ displaystyle I_ {x} (a, b + 1) = I_ {x} (a, b) + {\ frac {x ^ {a} (1-x) ^ {b}} {bB ( a, b)}} \,} [/ matemáticas]

En este caso, la integral dada se puede expresar en términos de una función beta incompleta regularizada o la función hipergeométrica:

Motor de conocimiento computacional

En términos de la función hipergeométrica, o en términos de la función beta incompleta regularizada:

Entonces necesitamos encontrar [math] \ displaystyle I_n = \ int \ dfrac {\ mathrm {d} x} {x ^ n (x ^ 2 + 1)} [/ math]. Notamos eso

[matemáticas] \ displaystyle I_n = \ int \ dfrac {(1 + x ^ 2) – x ^ 2} {x ^ n (x ^ 2 + 1)} \ mathrm {d} x = \ int \ dfrac {\ mathrm {d} x} {x ^ n} – \ int \ dfrac {\ mathrm {d} x} {x ^ {n – 2} (x ^ 2 + 1)} [/ math]

De dónde,

[matemáticas] I_n = \ dfrac {1} {(1 – n) x ^ {n – 1}} – I_ {n – 2} [/ matemáticas]

Por lo tanto, puede resolverlo utilizando la reducción.

Hice trampa un poco (usé Mathematica para calcular la integral) y el resultado no es tan bueno.

Para valores generales de n la integral es

[matemáticas] \ frac {F (\ left \ {1, \ frac {1-n} {2} \ right \}, \ frac {3-n} {2}, – x ^ 2)} {x ^ { n-1} (1-n)} [/ matemáticas]

Donde F es una función hipergeométrica.

Para valores enteros de n depende de si es par o impar.

Para [matemáticas] n = 2k [/ matemáticas] obtenemos

[matemáticas] (- 1) ^ k * ArcTan (x) + \ sum ^ {k} _ {m = 1} (- 1) ^ {m + k} / (x ^ {2m-1} (2m-1 )!)[/matemáticas]

Y para [matemáticas] n = 2k + 1 [/ matemáticas] obtenemos

[matemáticas] (- 1) ^ k * ln (\ frac {x} {\ sqrt {x ^ 2 + 1}}) + \ sum ^ {k} _ {m = 1} (- 1) ^ {m + k} / (x ^ {2m} (2m)!) [/ ​​matemáticas]