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積分解説26

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級数botでツイートされた積分です。

https://twitter.com/infseriesbot/status/1339458952375889921?s=21

01loglog1x1+x2dx=π2logΓ(34)2π

β(1)=π4(γlogπ)+πlogΓ(34)

β(x)はDirichlet beta functionと呼ばれ、

β(x)=n=0(1)n(2n+1)x

と定義されます。また、定義より、

β(1)=n=0(1)n+1log(2n+1)2n+1

となります。

まず、logΓ(x)のフーリエ級数展開を考えます。

an=201logΓ(x)cos2nπxdx

bn=201logΓ(x)sin2nπxdx とおくと、

logΓ(x)=a02+n=1(ancos2nπx+bnsin2nπx)

が成立します。また、

a0=201logΓ(x)dx=01log(Γ(x)Γ(1x))dx=01logπsinπxdx=log2π

より、a0=log2π

さらに、

an=201logΓ(x)cos2nπxdx=01log(Γ(x)Γ(1x))cos2nπxdx=01logπsinπxcos2nπxdx=logπ01cos2nπxdx01logsinπxcos2nπxdx=[logsinπxsin2nπx2nπ]01+12n01sin2nπxcosπxsinπxdx=12n01sin2πxcosπxsinπxdx=1n01cos2πxdx=1n[x2+sin2πx4π]01=12n

より、an=12n

また、ワイエルシュトラスの乗積表示より、

logΓ(x)=γxlogx+k=1(xklog(1+xk))

であるから、

bn=201(γxlogx+k=1(xk+log(1+xk)))sin2nπxdx=2γ[xcos2nπx2nπ]01+1nπ[cos2nπxlogx]011nπ01cos2nπxxdx+2k=101(1kxsin2nπxlog(1+xk)sin2nπx)dx=γnπ1nπlimt0cos2nπtlogt1nπ[Ci(2nπx)]01+1nπk=1(1k+log(1+1k)[Ci(2nπ(k+x))]01)=γCi(2nπ)nπ1nπlimt0(cos2nπtlogtCi(2nπt))+1nπk=1(log(1+1k)1k+Ci(2nkπ)Ci(2n(k+1)π))=γCi(2nπ)nπ1nπlimt0(cos2nπtlogtγlog2nπt02nπt1cosuudu)+γ+Ci(2nπ)nπ=γCi(2nπ)+γ+log2nπγ+Ci(2nπ)nπ=γ+log2nπnπ

より、bn=γ+log2nπnπ

よって、

logΓ(x)=12log2π+n=1(12ncos2nπx+γ+log2nπnπsin2nπx)

がわかりました。この式にx=34を代入すると、

logΓ(34)=12log2π+n=1(12ncos32nπ+γ+log2nπnπsin32nπ)=12log2π+14n=1(1)nn+γ+log2ππn=0(1)n+12n+1+1πn=0(1)n+1log(2n+1)2n+1=12log2π14log214γ14log2π+1πβ(1)=14(γlogπ)+1πβ(1)

よって、

β(1)=π4(γlogπ)+πlogΓ(34)

が証明されました。

それでは本題に移ります。

[解説]

01loglog1x1+x2dx=0etlogt1+e2tdt          (x=et)=0etlogtk=1(1)ke2ktdt=k=1(1)k+10logte(2k1)tdt=k=1(1)k+10utu1e(2k1)tdt|u=1=uk=0(1)k(2k+1)u0tu1etdt|u=1=uβ(u)Γ(u)|u=1=β(u)Γ(u)+β(u)Γ(u)|u=1=β(1)Γ(1)+β(1)Γ(1)ψ(1)=π4(γlogπ)+πlogΓ(34)π4γ=π2logπ+π2logΓ(34)2=π2logΓ(34)2π

以上より、

01loglog1x1+x2dx=π2logΓ(34)2π

が証明されました。

投稿日:20201221
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神鳥奈紗
神鳥奈紗
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遭難者です.高専1年です.MZV,級数,積分をメインにやっています.

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