지수 적분 함수

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토론역사
 
1. 개요2. 극한값 및 미적분
2.1. 지수 적분 함수의 이상적분
3. 무한급수 표기4. 곰페르츠 상수5. 관련 문서

 

1. 개요[편집]

 
exponential integral function /

특수함수의 하나로, Ei(x)\mathrm{Ei}(x)로 표기하며 정의는 다음과 같다.

Ei(x):={xettdt(x<0)limc0+(xcettdt+limkckettdt)(x>0){\rm Ei}(x) := \begin{cases} \displaystyle -\int_{-x}^\infty \frac{e^{-t}}t \,{\rm d}t \quad & (x<0) \\ \displaystyle -\lim_{c\rightarrow0+} \left( \int_{-x}^{-c} \frac{e^{-t}}t \,{\rm d}t +\lim_{k\rightarrow\infty} \int_c^k \frac{e^{-t}}t \,{\rm d}t \right) \quad & (x>0) \end{cases}

이 함수의 그래프는 아래와 같다.

namu 지수적분함수 그래프 ...

위 그래프에서 볼 수 있듯, xx절편이 하나 있는데, 그 값은 lnμ\ln\mu이며 약 0.3725070.372507 정도 되는 값이다. 여기서 μ\mu로그 적분 함수xx절편이고, 라마누잔-졸트너 상수라는 이름이 붙어 있다.

지수 적분 함수는 간단하게

Ei(x)=lnμxettdt\displaystyle \operatorname{Ei}(x) = \int_{\ln \mu}^x \frac{e^t}t \,{\rm d}t

로도 쓸 수 있다.

감마 함수, 오일러-마스케로니 상수와 연관성이 있다. 정의역에 자연로그를 취하면 로그 적분 함수가 된다.

값이 충분히 클 경우 피적분 함수를 근삿값으로 써도 된다. 실제로

limxEi(x)ex/x=1\displaystyle \lim_{x\rightarrow \infty}\frac{{\rm Ei}(x)}{e^x/x}=1

이다.
 

2. 극한값 및 미적분[편집]

 
  • ddxEi(ax)=eaxx\displaystyle \frac{\rm d}{{\rm d}x} \operatorname{Ei}(ax) = \frac{e^{ax}}x (단, aa는 상수)
    [증명]


    정적분으로 정의된 함수 g(x)bf(t)dt\displaystyle \int_{g(x)}^b f(t) \,{\rm d}t를 미분하면 다음과 같다. (단, bb는 상수)

    ddxg(x)bf(t)dt=f(g(x))g(x)\displaystyle \frac{\rm d}{{\rm d}x} \int_{g(x)}^b f(t) \,{\rm d}t = -f(g(x)) \cdot g'(x)

    이 등식을 활용하면 지수 적분 함수의 미분을 쉽게 구할 수 있다.

    ddxEi(ax)=ddxaxettdt=(eaxax(a))=eaxx\displaystyle \begin{aligned} \frac{\rm d}{{\rm d}x} \operatorname{Ei}(ax) &= -\frac{\rm d}{{\rm d}x} \int_{-ax}^\infty \frac{e^{-t}}t \,{\rm d}t = -\biggl( -\frac{e^{ax}}{-ax} \cdot (-a) \biggr) = \frac{e^{ax}}x \end{aligned}
  • limx0xEin(x)=0\displaystyle \lim_{x\to0} x\operatorname{Ei}^n(x) = 0 (단, nn은 자연수)
    [증명]


    수학적 귀납법을 사용하여 증명하자.
    (i) 우선 n=1n=1일 때의 증명은 다음과 같다. 로피탈의 정리를 사용한 곳은 =\overset{\bf *}=로 표시했다.

    limx0xEi(x)=limx0Ei(x)1x=limx0exx1x2=limx0xex=01=0\displaystyle \begin{aligned} \lim_{x\to0} x\operatorname{Ei}(x) = \lim_{x\to0} \frac{\operatorname{Ei}(x)}{\cfrac1x} \overset{\bf *} = \lim_{x\to0} \frac{\dfrac{e^x}x}{-\cfrac1{x^2}} = -\lim_{x\to0} xe^x = -0\cdot1 = 0 \end{aligned}

    (ii) 이제 자연수 kk에 대하여 n=kn=k일 때 limx0xEik(x)=0\displaystyle \lim_{x\to0}x\operatorname{Ei}^k(x)=0이 성립한다고 가정하자. 그러면 n=k+1n=k+1일 때에 대한 증명은 아래와 같다.

    limx0xEik+1(x)=limx0Eik+1(x)1x=limx0(k+1)Eik(x)exx1x2=(k+1)limx0(exxEik(x))=(k+1)10=0\displaystyle \begin{aligned} \lim_{x\to0} x\operatorname{Ei}^{k+1}(x) &= \lim_{x\to0} \frac{\operatorname{Ei}^{k+1}(x)}{\cfrac1x} \overset{\bf *}= \lim_{x\to0} \frac{(k+1) \operatorname{Ei}^k(x) \,\dfrac{e^x}x}{-\cfrac1{x^2}} \\ &= -(k+1) \lim_{x\to0} (e^x \cdot x\operatorname{Ei}^k(x)) = -(k+1)\cdot1\cdot0 \\ &= 0 \end{aligned}

    따라서 n=k+1n=k+1일 때도 주어진 등식이 성립한다.
    (i)과 (ii)에 의해서 모든 자연수 nn에 대해 주어진 등식이 성립한다.
  • limxxEin(x)=0\displaystyle \lim_{x\to-\infty} x\operatorname{Ei}^n(x) = 0 (단, nn은 자연수)
    [증명]


    수학적 귀납법을 사용하여 증명하자.
    (i) 우선 n=1n=1일 때의 증명은 다음과 같다. 로피탈의 정리를 사용한 곳은 =\overset{\bf *}=로 표시했다.

    limxxEi(x)=limxEi(x)1x=limxexx1x2=limxxex=limx1ex=0\displaystyle \begin{aligned} \lim_{x\to-\infty} x\operatorname{Ei}(x) = \lim_{x\to-\infty} \frac{\operatorname{Ei}(x)}{\cfrac1x} \overset{\bf *}= \lim_{x\to-\infty} \frac{\dfrac{e^x}x}{-\cfrac1{x^2}} = \lim_{x\to-\infty} \frac{-x}{e^{-x}} \overset{\bf *}= \lim_{x\to-\infty} \frac{-1}{-e^{-x}} = 0 \end{aligned}

    (ii) 이제 자연수 kk에 대하여 n=kn=k일 때 limxxEik(x)=0\displaystyle \lim_{x\to-\infty} x\operatorname{Ei}^k(x) = 0이 성립한다고 가정하자. 그러면 n=k+1n=k+1일 때에 대한 증명은 아래와 같다.

    limxxEik+1(x)=limxEik+1(x)1x=limx(k+1)Eik(x)exx1x2=(k+1)limx(exxEik(x))=(k+1)00=0\displaystyle \begin{aligned} \lim_{x\to-\infty} x\operatorname{Ei}^{k+1}(x) &= \lim_{x\to-\infty} \frac{\operatorname{Ei}^{k+1}(x)}{\cfrac1x} \overset{\bf *}= \lim_{x\to-\infty} \frac{(k+1)\operatorname{Ei}^k(x)\,\dfrac{e^x}x}{-\cfrac1{x^2}} \\ &= -(k+1) \lim_{x\to-\infty} (e^x \cdot x\operatorname{Ei}^k(x)) = -(k+1)\cdot0\cdot0 \\ &= 0 \end{aligned}

    따라서 n=k+1n=k+1일 때도 주어진 등식이 성립한다.
    (i)과 (ii)에 의해서 모든 자연수 nn에 대해 주어진 등식이 성립한다.
  • Ei(ax)dx=xEi(ax)1aeax+C\displaystyle \int \operatorname{Ei}(ax) \,{\rm d}x = x\operatorname{Ei}(ax) -\frac1a \,e^{ax} +C (단, CC는 적분상수)
    [증명]


    부분적분으로 간단히 해결할 수 있다.

    Ei(ax)dx=1Ei(ax)dx=xEi(ax)xeaxxdx=xEi(ax)1aeax+C\displaystyle \begin{aligned} \int \operatorname{Ei}(ax) \,{\rm d}x &= \int 1 \cdot \operatorname{Ei}(ax) \,{\rm d}x \\ &= x \cdot \operatorname{Ei}(ax) -\int x \cdot \frac{e^{ax}}x \,{\rm d}x \\ &= x \operatorname{Ei}(ax) -\frac1a \,e^{ax} +C \end{aligned}
  • Ei2(ax)dx=xEi2(ax)2aeaxEi(ax)+2aEi(2ax)+C\displaystyle \int \operatorname{Ei}^2(ax) \,{\rm d}x = x\operatorname{Ei}^2(ax) -\frac2a \,e^{ax} \operatorname{Ei}(ax) +\frac2a \operatorname{Ei}(2ax) +C (단, CC는 적분상수)
    [증명]


    위와 마찬가지로 부분적분으로 간단히 해결할 수 있다.

    Ei2(ax)dx=1Ei2(ax)dx=xEi2(ax)x2Ei(ax)eaxxdx=xEi2(ax)2eaxEi(ax)dx=xEi2(ax)2(1aeaxEi(ax)1aeaxeaxxdx)=xEi2(ax)2aeaxEi(ax)+2ae2axxdx=xEi2(ax)2aeaxEi(ax)+2addxEi(2ax)dx=xEi2(ax)2aeaxEi(ax)+2aEi(2ax)+C\displaystyle \begin{aligned} \int \operatorname{Ei}^2(ax) \,{\rm d}x &= \int 1 \cdot \operatorname{Ei}^2(ax) \,{\rm d}x \\ &= x \cdot \operatorname{Ei}^2(ax) -\int x \cdot 2\operatorname{Ei}(ax) \,\frac{e^{ax}}x \,{\rm d}x \\ &= x \operatorname{Ei}^2(ax) -2\int e^{ax} \cdot \operatorname{Ei}(ax) \,{\rm d}x \\ &= x \operatorname{Ei}^2(ax) -2\biggl( \frac1a \,e^{ax} \cdot \operatorname{Ei}(ax) -\int \frac1a \,e^{ax} \cdot \frac{e^{ax}}x \,{\rm d}x \biggr) \\ &= x \operatorname{Ei}^2(ax) -\frac2a \,e^{ax} \operatorname{Ei}(ax) +\frac2a \int \frac{e^{2ax}}x \,{\rm d}x \\ &= x \operatorname{Ei}^2(ax) -\frac2a \,e^{ax} \operatorname{Ei}(ax) +\frac2a \int \frac{\rm d}{{\rm d}x} \operatorname{Ei}(2ax) \,{\rm d}x \\ &= x \operatorname{Ei}^2(ax) -\frac2a \,e^{ax} \operatorname{Ei}(ax) +\frac2a \operatorname{Ei}(2ax) +C \end{aligned}
 

2.1. 지수 적분 함수의 이상적분[편집]

 
  • 0Ei(x)dx=1\displaystyle \int_{-\infty}^0 \operatorname{Ei}(x) \,{\rm d}x = -1
    [증명]



    0Ei(x)dx= ⁣[xEi(x)ex]0= ⁣[limx0xEi(x)e0] ⁣ ⁣[limxxEi(x)limxex]=(01)(00)=1\displaystyle \begin{aligned} \int_{-\infty}^0 \operatorname{Ei}(x) \,{\rm d}x &= \!\Bigl[ x\operatorname{Ei}(x) -e^x \Bigr]_{-\infty}^0 \\ &= \!\Bigl[ \lim_{x\to0} x\operatorname{Ei}(x) -e^0 \Bigr] \!-\!\Bigl[ \lim_{x\to-\infty} x\operatorname{Ei}(x) -\lim_{x\to-\infty} e^x \Bigr] \\ &= (0-1)-(0-0) \\ &= -1 \end{aligned}
  • 0Ei2(x)dx=2ln21.3862943611\displaystyle \int_{-\infty}^0 \operatorname{Ei}^2(x) \,{\rm d}x = 2\ln2 \approx 1.3862943611
    [증명]



    0Ei2(x)dx= ⁣[xEi2(x)]00x2Ei(x)exxdx= ⁣[limx0xEi2(x)limxxEi2(x)] ⁣20exEi(x)dx=(00)20ex(xettdt)dx=20xexettdtdxLet ⁣:x=y=20yeyettdt(dy)Let ⁣:t=yudt=ydu=20 ⁣1eyeyuyuydudy=21 ⁣0ey(1+u)udydu=21 ⁣[ey(1+u)u(1+u)]y0ydu=21 ⁣(01u(1+u))du=21 ⁣(1u11+u)du=2[lnuln(1+u)]1=2[lnu1+u]1=2(0ln12)=2ln2\displaystyle \begin{aligned} \int_{-\infty}^0 \operatorname{Ei}^2(x) \,{\rm d}x &= \!\Bigl[ x\operatorname{Ei}^2(x) \Bigr]_{-\infty}^0 -\int_{-\infty}^0 x \cdot 2\operatorname{Ei}(x) \,\frac{e^x}x \,{\rm d}x \\ &= \!\Bigl[ \lim_{x\to0} x\operatorname{Ei}^2(x) -\lim_{x\to-\infty} x\operatorname{Ei}^2(x) \Bigr] \!-2\int_{-\infty}^0 e^x \operatorname{Ei}(x) \,{\rm d}x \\ &= (0-0) -2\int_{-\infty}^0 e^x \biggl( -\int_{-x}^\infty \frac{e^{-t}}t \,{\rm d}t \biggr) {\rm d}x \\ &= 2\int_{-\infty}^0 \int_{-x}^\infty \frac{e^xe^{-t}}t \,{\rm d}t \,{\rm d}x \qquad {\sf Let}\!: x=-y \\ &= 2\int_\infty^0 \int_y^\infty \frac{e^{-y}e^{-t}}t \,{\rm d}t \,(-{\rm d}y) \qquad {\sf Let}\!: t=yu \Rightarrow {\rm d}t=y\,{\rm d}u \\ &= 2\int_0^\infty \!\int_1^\infty \frac{e^{-y}e^{-yu}}{yu} \,y \,{\rm d}u \,{\rm d}y \\ &= 2\int_1^\infty \!\int_0^\infty \frac{e^{-y(1+u)}}u \,{\rm d}y \,{\rm d}u \\ &= 2\int_1^\infty \!\left[ -\frac{e^{-y(1+u)}}{u(1+u)} \right]_{y\to0}^{y\to\infty} {\rm d}u \\ &= -2\int_1^\infty \!\biggl( 0 -\frac1{u(1+u)} \biggr) {\rm d}u \\ &= 2\int_1^\infty \!\biggl( \frac1u -\frac1{1+u} \biggr) {\rm d}u \\ &= 2\Bigl[ \ln u -\ln(1+u) \Bigr]_1^\infty \\ &= 2\biggl[ \ln\frac u{1+u} \biggr]_1^\infty \\ &= 2\biggl( 0 -\ln\frac12 \biggr) \\ &= 2\ln2 \end{aligned}
  • 0Ei3(x)dx=3Li2(14)6ln223.6856760008\displaystyle \int_{-\infty}^0 \operatorname{Ei}^3(x) \,{\rm d}x = -3\operatorname{Li}_2\biggl(\frac14\biggr) -6\ln^22 \approx -3.6856760008
    [증명]


    0Ei3(x)dx= ⁣[xEi3(x)]00x3Ei2(x)exxdx= ⁣[limx0xEi3(x)limxxEi3(x)] ⁣30exEi2(x)dx=(00)30ex(xet1t1dt1) ⁣(xet2t2dt2)dx=30x ⁣xexet1et2t1t2dt1dt2dxLet ⁣:x=z=30z ⁣zezet1et2t1t2dt1dt2(dz)Let ⁣:t1=zx,t2=zydt1=zdx,dt2=zdy=30 ⁣1 ⁣1ezezxezyzxzyzdxzdydz=31 ⁣1 ⁣0ez(1+x+y)xydzdxdy=31 ⁣1 ⁣[ez(1+x+y)xy(1+x+y)]z0zdxdy=31 ⁣1[(0)(1xy(1+x+y))]dxdy=31 ⁣11xy(1+x+y)dxdy부분분수  분해  공식  사용 ⁣:1ABC=1B(CA)(1A1C)=31 ⁣11y(1+y)(1x11+x+y)dxdy=311y(1+y)[lnxln(1+x+y)]x1xdy=311y(1+y) ⁣[lnx1+x+y]x1xdy=311y(1+y)(0ln12+y)dy=31ln(2+y)y(1+y)dyLet ⁣:y=1u=310ln(2+1u)1u(1+1u)(1u2)du=301ln(2u+1)lnuu+1du(1)\displaystyle \begin{aligned} \int_{-\infty}^0 \operatorname{Ei}^3(x) \,{\rm d}x &= \!\Bigl[ x\operatorname{Ei}^3(x) \Bigr]_{-\infty}^0 -\int_{-\infty}^0 x \cdot 3\operatorname{Ei}^2(x) \,\frac{e^x}x \,{\rm d}x \\ &= \!\Bigl[ \lim_{x\to0} x\operatorname{Ei}^3(x) -\lim_{x\to-\infty} x\operatorname{Ei}^3(x) \Bigr] \!-3\int_{-\infty}^0 e^x \operatorname{Ei}^2(x) \,{\rm d}x \\ &= (0-0) -3\int_{-\infty}^0 e^x \biggl( -\int_{-x}^\infty \frac{e^{-t_1}}{t_1} \,{\rm d}t_1 \biggr) \!\biggl( -\int_{-x}^\infty \frac{e^{-t_2}}{t_2} \,{\rm d}t_2 \biggr) {\rm d}x \\ &= -3\int_{-\infty}^0 \int_{-x}^\infty \!\int_{-x}^\infty \frac{e^xe^{-t_1}e^{-t_2}}{t_1t_2} \,{\rm d}t_1 \,{\rm d}t_2 \,{\rm d}x \qquad {\sf Let}\!: x=-z \\ &= -3\int_{\infty}^0 \int_z^\infty \!\int_z^\infty \frac{e^{-z}e^{-t_1}e^{-t_2}}{t_1t_2} \,{\rm d}t_1 \,{\rm d}t_2 \,(-{\rm d}z) \\ &\qquad\quad {\sf Let}\!: t_1=zx, \,t_2=zy \quad \Rightarrow \quad {\rm d}t_1=z\,{\rm d}x, \,{\rm d}t_2=z\,{\rm d}y \\ &= -3\int_0^\infty \!\int_1^\infty \!\int_1^\infty \frac{e^{-z}e^{-zx}e^{-zy}}{zx\cdot zy} \,z \,{\rm d}x \,z \,{\rm d}y \,{\rm d}z \\ &= -3\int_1^\infty \!\int_1^\infty \!\int_0^\infty \frac{e^{-z(1+x+y)}}{xy} \,{\rm d}z \,{\rm d}x \,{\rm d}y \\ &= -3\int_1^\infty \!\int_1^\infty \!\left[ -\frac{e^{-z(1+x+y)}}{xy(1+x+y)} \right]_{z\to0}^{z\to\infty} {\rm d}x \,{\rm d}y \\ &= -3\int_1^\infty \!\int_1^\infty \biggl[ (-0) -\left( -\frac1{xy(1+x+y)} \right) \biggr] {\rm d}x \,{\rm d}y \\ &= -3\int_1^\infty \!\int_1^\infty \frac1{xy(1+x+y)} \,{\rm d}x \,{\rm d}y \\ &\qquad\quad 부분분수 \;분해 \;공식 \;사용\!: \frac1{ABC} = \frac1{B(C-A)} \biggl( \frac1A -\frac1C \biggr) \\ &= -3\int_1^\infty \!\int_1^\infty \frac1{y(1+y)} \biggl( \frac1x -\frac1{1+x+y} \biggr) {\rm d}x \,{\rm d}y \\ &= -3\int_1^\infty \frac1{y(1+y)} \Bigl[ \ln x -\ln(1+x+y) \Bigr]_{x\to1}^{x\to\infty} \,{\rm d}y \\ &= -3\int_1^\infty \frac1{y(1+y)} \!\left[ \ln\frac x{1+x+y} \right]_{x\to1}^{x\to\infty} {\rm d}y \\ &= -3\int_1^\infty \frac1{y(1+y)} \biggl( 0 -\ln\frac1{2+y} \biggr) {\rm d}y \\ &= -3\int_1^\infty \frac{\ln(2+y)}{y(1+y)} \,{\rm d}y \qquad {\sf Let}\!: y=\frac1u \\ &= -3\int_1^0 \frac{\ln(2+\frac1u)}{\frac1u (1+\frac1u)} \biggl(-\frac1{u^2}\biggr) {\rm d}u \\ &= -3\int_0^1 \frac{{\color{blue} \ln(2u+1)}-{\color{red} \ln u}}{u+1} \,{\rm d}u \qquad \cdots \,(1) \\ \end{aligned}

    위의 정적분을 색깔별로 쪼개서 적분한 후 마지막에 값을 합쳐주면 된다.

    01ln(2u+1)u+1du=01ln(2u+1)22u+2du= ⁣[ln(2u+1)ln(2u+2)]010122u+1ln(2u+2)duLet ⁣:1+2u=v=(ln3ln40)213ln(1v)v(12dv)=2ln2ln3+13ln(1v)vdv=2ln2ln3+03ln(1v)vdv01ln(1v)vdv=2ln2ln3+Li2(3)Li2(1)(2)\displaystyle \begin{aligned} \int_0^1 \frac{{\color{blue} \ln(2u+1)}}{u+1} \,{\rm d}u &= \int_0^1 \ln(2u+1) \cdot \frac2{2u+2} \,{\rm d}u \\ &= \!\Bigl[ \ln(2u+1) \ln(2u+2) \Bigr]_0^1 -\int_0^1 \frac2{2u+1} \ln(2u+2) \,{\rm d}u \\ &\qquad\quad {\sf Let}\!: 1+2u = -v \\ &= (\ln3\ln4-0) -2\int_{-1}^{-3} \frac{\ln(1-v)}{-v} \biggl( -\frac12 \,{\rm d}v \biggr) \\ &= 2\ln2\ln3 +\int_{-1}^{-3} \frac{-\ln(1-v)}v \,{\rm d}v \\ &= 2\ln2\ln3 +\int_0^{-3} \frac{-\ln(1-v)}v \,{\rm d}v -\int_0^{-1} \frac{-\ln(1-v)}v \,{\rm d}v \\ &= {\color{blue} 2\ln2\ln3 +\operatorname{Li}_2(-3) -\operatorname{Li}_2(-1)} \qquad \cdots \,(2) \end{aligned}

    01lnuu+1du= ⁣[lnuln(u+1)]01011uln(1+u)du= ⁣[0limu0+lnuln(u+1)]+01ln(1(u))uduLet ⁣:u=t=0+01ln(1t)t(dt)=01ln(1t)tdt=Li2(1)(3)\displaystyle \begin{aligned} \int_0^1 \frac{{\color{red} \ln u}}{u+1} \,{\rm d}u &= \!\Bigl[ \ln u \ln(u+1) \Bigr]_0^1 -\int_0^1 \frac1u \ln(1+u) \,{\rm d}u \\ &= \!\Bigl[ 0 -\lim_{u\to0^+} \ln u \ln(u+1) \Bigr] +\int_0^1 \frac{\ln(1-(-u))}{-u} \,{\rm d}u \\ &\qquad\quad {\sf Let}\!: -u = t \\ &= 0 +\int_0^{-1} \frac{\ln(1-t)}t (-{\rm d}t) \\ &= \int_0^{-1} \frac{-\ln(1-t)}t \,{\rm d}t \\ &= {\color{red} \operatorname{Li}_2(-1)} \qquad \cdots \,(3) \end{aligned}

    빨간색 적분 과정의 둘째 줄에 있는 극한값은 아래와 같이 계산됐다. 로피탈의 정리를 사용한 곳은 =\overset{*}=로 나타내었다.

    limu0+lnuln(u+1)=limu0+lnu1/uln(u+1)u=limu0+lnu1/ulimu0+ln(u+1)u=limu0+1/u1/u2limu0+1/(u+1)1=limu0+ulimu0+1u+1=01=0\displaystyle \begin{aligned} \lim_{u\to0^+} \ln u \ln(u+1) &= \lim_{u\to0^+} \frac{\ln u}{1/u} \frac{\ln(u+1)}u \\ &= \lim_{u\to0^+} \frac{\ln u}{1/u} \lim_{u\to0^+} \frac{\ln(u+1)}u \\ &\overset{*}= \lim_{u\to0^+} \frac{1/u}{-1/u^2} \lim_{u\to0^+} \frac{1/(u+1)}1 \\ &= -\lim_{u\to0^+} u \lim_{u\to0^+} \frac1{u+1} \\ &= -0\cdot1 \\ &= 0 \end{aligned}

    이제 (2)(2), (3)(3)의 값을 (1)(1)에 대입하고, 폴리로그함수함숫값성질들을 사용하여 정리하면 최종적으로 정적분 0Ei3(x)dx\displaystyle \int_{-\infty}^0 \operatorname{Ei}^3(x) \,{\rm d}x의 값을 구할 수 있다.

    0Ei3(x)dx=301ln(2u+1)lnuu+1du=3(2ln2ln3+Li2(3)Li2(1)Li2(1))=6ln2ln33Li2(3)+6Li2(1)Li2(1)=(211)ζ(2)=π212Inversion  Formula(x=3) ⁣:Li2(x)+Li2(1x) ⁣=π2612ln2(x)=6ln2ln33[Li2(13) ⁣π2612ln23] ⁣+6(π212)=3Li2(13) ⁣6ln2ln3+32ln23Landens  Identity(x=43) ⁣:Li2(1x)+Li2(11x) ⁣=12ln2x=3[Li2(14)12ln2(43)] ⁣6ln2ln3+32ln23=3Li2(14) ⁣32(2ln2ln3)26ln2ln3+32ln23=3Li2(14) ⁣6ln22\displaystyle \begin{aligned} \int_{-\infty}^0 \operatorname{Ei}^3(x) \,{\rm d}x &= -3\int_0^1 \frac{{\color{blue} \ln(2u+1)}-{\color{red} \ln u}}{u+1} \,{\rm d}u \\ &= -3( {\color{blue} 2\ln2\ln3 +\operatorname{Li}_2(-3) -\operatorname{Li}_2(-1)} -{\color{red} \operatorname{Li}_2(-1)} ) \\ &= -6\ln2\ln3 -3\operatorname{Li}_2(-3) +6\operatorname{Li}_2(-1) \\ &\qquad\quad \operatorname{Li}_2(-1) = (2^{-1}-1) \,\zeta(2) = -\frac{\pi^2}{12} \\ &\qquad\quad {\sf Inversion \;Formula} \,(x=-3)\!: \operatorname{Li}_2(x) +\operatorname{Li}_2 \biggl( \frac1x \biggr) \!= -\frac{\pi^2}6 -\frac12 \ln^2(-x) \\ &= -6\ln2\ln3 -3\biggl[ -\operatorname{Li}_2 \biggl( -\frac13 \biggr) \!-\frac{\pi^2}6 -\frac12 \ln^23 \biggr] \!+6 \biggl( -\frac{\pi^2}{12} \biggr) \\ &= 3\operatorname{Li}_2 \biggl( -\frac13 \biggr) \!-6\ln2\ln3 +\frac32 \ln^23 \\ &\qquad\quad {\sf Landen's \;Identity} \biggl( x=\frac43 \biggr)\!: \operatorname{Li}_2(1-x) +\operatorname{Li}_2 \biggl( 1-\frac1x \biggr) \!= -\frac12 \ln^2x \\ &= 3\biggl[ -\operatorname{Li}_2 \biggl( \frac14 \biggr) -\frac12 \ln^2 \biggl( \frac43 \biggr) \biggr] \!-6\ln2\ln3 +\frac32 \ln^23 \\ &= -3\operatorname{Li}_2 \biggl( \frac14 \biggr) \!-\frac32 (2\ln2-\ln3)^2 -6\ln2\ln3 +\frac32 \ln^23 \\ &= -3\operatorname{Li}_2 \biggl( \frac14 \biggr) \!-6\ln^22 \end{aligned}
  • 0Ei4(x)dx=24Li3(14)48Li2(13)32ln32+48ln22ln324ln2ln23+6π2ln213ζ(3)8.6455182667\displaystyle \int_{-\infty}^0 \operatorname{Ei}^4(x) \,{\rm d}x = 24\operatorname{Li}_3 \biggl( \frac14 \biggr) -48\operatorname{Li}_2 \biggl( \frac13 \biggr) -32\ln^32 +48\ln^22\ln3 -24\ln2\ln^23 +6\pi^2\ln2 -13\,\zeta(3) \approx 8.6455182667
    증명

위에서 Lis(x)\operatorname{Li}_s(x)폴리로그함수, ζ(x)\zeta(x)제타 함수이다.
 

3. 무한급수 표기[편집]

 
Ei(x)=γ+lnx+k=1xkk×k!\displaystyle \begin{aligned} \operatorname{Ei}(x) = \gamma +\ln x +\sum_{k=1}^\infty \frac{x^k}{k\times k!} \end{aligned}
 

4. 곰페르츠 상수[편집]

 
수학상수
Mathematical Constants
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00, 11, 34353435, 438579088438579088
뮌하우젠 수
π\pi
원주율
^{\ast\ast}
τ\tau
새 원주율
^{\ast\ast}
ee
자연로그의 밑
^{\ast\ast}
GG
카탈랑 상수
?^{\ast?}
Ω\Omega
오메가 상수
^{\ast\ast}
CnC_n\,
챔퍼나운 상수
^{\ast\ast}
?^{?} 유리수인지 무리수인지 밝혀지지 않음
^\ast 초월수가 아닌 무리수임이 증명됨
?^{\ast?} 무리수임이 증명됨, 초월수인지 아닌지 밝혀지지 않음
^{\ast\ast} 초월수임이 증명됨
[1] 정의에 따라 초월수가 아닌 대수적 수이다. 11의 거듭제곱근 중 11, 1-1, ii, i-i를 제외한 근들은 모두 무리수 실수부 또는 허수부를 가진다. 일반적으로 무리수는 실수의 부분집합으로서만 정의되므로 11, 1-1을 제외한 11의 거듭제곱근은 유리수나 무리수로 구분하지는 않는다.

Gompertz constant

곰페르츠 상수는 벤자민 곰페르츠의 이름을 딴 상수로, 다음과 같이 정의되며
δ=0ln(1+x)exdx\displaystyle \delta = \int_0^\infty \ln(1+x) \,e^{-x} \,{\rm d}x
지수 적분 함수를 사용해 eEi(1)-e\operatorname{Ei}(-1)로 나타낼 수 있다. 근삿값은 약 0.59634736230.5963473623이다.
 

5. 관련 문서[편집]

크리에이티브 커먼즈 라이선스
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