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積分botを解けるだけ解く, その2

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前回( https://mathlog.info/articles/1876 ) に引き続き, 積分botの式を証明していきたいと思います.

11個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361174371876802560 )

0sinπx2coshπxsinh2πxdx=14

こんな積分ができるのか, と思いました. 美しいですね. 思いつくまでが長かったです.

実数aに対し, 主値積分
I(a):=eiπx2sinhπ(x+a)dx
を考える. 1sinhπ(x+a)0Im(a)12において, Re(x)±で一様に0に収束するので, 留数定理より, ちょうどaにおける留数の半分が入っているとみなせることを考えて,
I(a)=eiπ(x+i/2)2sinhπ(x+i2+a)dx+πiResx=aeiπx2sinhπ(x+a)=ieiπ/4eiπx2πxcoshπ(x+a)dx+ieiπa2
同様に,
I(a)=eiπ(xi/2)2sinhπ(xi2+a)dxπiResx=aeiπx2sinhπ(x+a)=ieiπ/4eiπx2+πxcoshπ(x+a)dxieiπa2
よって,
eiπx2+πxcoshπ(x+a)dx=ieiπ/4I(a)+eiπa2+iπ/4eiπx2πxcoshπ(x+a)dx=ieiπ/4I(a)+eiπa2+iπ/4
これより,
eiπ/4=eiπx2dx=12(eπaeiπx2+πxcoshπ(x+a)dx+eπaeiπx2πxcoshπ(x+a)dx)=12(ieiπ/4+πaI(a)+eiπa2+iπ/4+πa+ieiπ/4πaI(a)+eiπa2+iπ/4πa)=eiπ/4(iI(a)sinhπa+eiπa2coshπa)
よって,
I(a)=i(1eiπa2coshπa)sinhπa
虚部を考えることにより, 主値積分,

sinπx2sinh(x+a)dx=1cosπa2coshπasinhπa
を得て, 両辺はa0において,
sinπx2(1sinhπxπacoshπxsinh2πx+O(a2))dx=π2a+O(a2)
より,
sinπx2coshπxsinh2πxdx=12
よって,
0sinπx2coshπxsinh2πxdx=14
が示された.

12個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361181130934771714 )

01x2ln1x(1x4)(π2+(ln1+x1x+2tan11x)2)dx=132lnπ28

見た目がすごい複雑ですね. 前の記事( https://mathlog.info/articles/1876 ) の命題9に帰着させることができました. その綺麗な証明は前回の記事のコメントで教えていただきました.

01x2ln1x(1x4)(π2+(ln1+x1x+2tan11x)2)dx=01x2lnx(1x4)(π2+(π+2tanh1x2tan1x)2)dx=1401x2lnx(1x4)((π2)2+(π2+tanh1xtan1x)2)dx=12πIm(01x2lnx(1x4)(π2(1i)+tanh1xtan1x)dx)=12πIm((1+i)01x2lnx(1x4)(π+(1+i)(tanh1xtan1x))dx)=14πIm([ln(π+(1+i)(tanh1xtan1x))lnx]01)+14πIm(01ln(π+(1+i)(tanh1xtan1x))xdx)=14π01tan1(tanh1xtan1xπ+tanh1tan1x)dxx=132lnπ28

13個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361184328609374208 )

0π/2arctan2rsinx1r2dx=2χ2(r)0π/2arctan2rsinx1r2arctan2ssinx1s2dx=πχ2(rs)

ここで, χ2(r)はLegendreのカイ関数といい,
χ2(r):=0nr2n+1(2n+1)2,(|r|1)
で定義されます. 見た目難しそうに見えるかもしれませんが, あることに気づけば簡単です.

まず,
arctan2rsinx1r2=Im(ln(1r2+2irsinx))=Im(ln((1reix)(1+reix)))=Im(ln(1reix)+ln(1+reix))=Im(0<nrnneinx+0<n(1)n1rnneinx))=0<nrnnsinnx+0<n(1)n1rnnsinnx=20<nr2n+12n+1sin(2n+1)x
よって,
0π/2arctan2rsinx1r2dx=20n0π/2r2n+12n+1sin(2n+1)xdx=20nr2n+1(2n+1)2=2χ2(r)
また, 三角関数の直交性より,
0π/2arctan2rsinx1r2arctan2ssinx1s2dx=1402πarctan2rsinx1r2arctan2ssinx1s2dx=0n,m02πr2n+1s2m+1(2n+1)(2m+1)sin(2n+1)xsin(2m+1)xdx=π0n,mr2n+1s2m+1(2n+1)(2m+1)δn,m=π0n(rs)2n+1(2n+1)2=πχ2(rs)
ここで, δn,mはKroneckerのデルタである.

14個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361197255168978945 )

01dxx41x41x(1tan3π20)2=25π1tan3π20

超幾何積分ですね, とりあえずα=1tan3π20とおいてみると,

Γ(c)Γ(b)Γ(cb)01xb1(1x)cb1(1zx)adx=2F1[a,bc;z]
を用いて,
01dxx41x41α2x=Γ(34)2Γ(32)2F1[12,3432;α2]=2Γ(34)2απ0α(1x2)3/4dx
となります. よって,
0α(1x2)3/4dx=π52πΓ(34)2
を示せばいいわけですが, 全くわかりません, 1tan3π20に固有の置換でもあるのでしょうか.

15個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361198231703674881 )

01(αxα1x)dx=αlnα(0<α<1)

これは最初に積分区間を[1/N,1]としておいてから, Nとする方針でいきたいと思います.

1/N1(αxα1x)dx=1/N1αxdxα1/N11xdx=αααNxx2dxα1Nxx2dx=αNαNxx2dx=αNαN1xdxαNαNxxx2dx=αlnααNαNxxx2dx
ここで, 第2項の積分は
1xxx2dx11x2dx=1
が収束することにより, N0に収束する.

16個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361212329208082434 )

0xϕarctanx(1+xϕ)2dx=π4ϕ

黄金比はϕ=1+52と定義されます. ここでは, 1ϕ=ϕ1であることをもちいていきます. とりあえず, x1xと置換してみるといいと思います.

I=0xϕarctanx(1+xϕ)2dx=0xϕ1arctanx(1+xϕ)2dx=0xϕ1arctan1x(1+xϕ)2dx=0xϕ1arctan1x(1+xϕ)2dx
よって,
I=120xϕ1(arctanx+arctan1x)(1+xϕ)2dx=π40xϕ1(1+xϕ)2dx=π4ϕ01(1+x)2dx=π4ϕ

17個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361213210221764609 )

01dxx41x41xβ2=172π2|β|forβ221+2cosπ14β+422sec13π28=001dxx41x1xγ2=172π2γforγ22cos2π7γ+22csc9π284=0

こ, これは, さっきの命題4と同じ関数, と思いきや2つ目の積分は微妙に違いますね. とりあえず, わかる気がしないので次いきましょう.

18個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361219897196376065 )

0π/2arctantanxtanxdx=π2ln(2+2)

さっそく証明していきます.

置換tanxx2により,
0π/2arctantanxtanxdx=20arctanxx(1+x4)dx=arctanxx(1+x4)dx
ここで, 0<Im(a)として,
1(xa)(1+b2x2)dx=11+a2b2(1xab2(x+a)1+b2x2)dx=11+a2b2limA,B[ln(xa)12ln(1+b2x2)abarctanbx]AB=11+a2b2π(iab)=πi+ab
よって,
arctanbxx(xa)dx=πaln(1iab)+C(a)
となるaに依存する関数があるが, b=0として, C(a)=0である. 両辺の共役を考えることにより, aを実数でない複素数としたとき,
arctanbxx(xa)dx={πaln(1iab)(0<Im(a))πaln(1+iab)(0>Im(a))
よって,
arctanxx(1+x4)dx=14arctanxx(eiπ/4xeiπ/4+eiπ/4xeiπ/4+e3iπ/4xe3iπ/4+e3iπ/4xe3iπ/4)dx=π4(ln(1ieiπ/4)+ln(1+ieiπ/4)+ln(1ie3iπ/4)+ln(1+ie3iπ/4))=π2ln(2+2)

19個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361230834020327430 )

01x(1s2x2)1x2ln1x1+xdx=π2s1s2ln1s1+s

これはかなり難しかったです. もっと綺麗な方法があるかもしれません.

まず, 与えられた式は,
01xtanh1x(1s2x2)1x2dx=πtanh1s2s1s2
と書き直せるので, これを示します.
01xtanh1x(1s2x2)1x2dx=0n12n+101x2n+2(1x2)1/2(1s2x2)1dx=0n,ms2m2n+101x2n+2m+2(1x2)1/2dx=120n,ms2m2n+101xn+m+1/2(1x)1/2dx=120n,ms2m2n+1Γ(n+m+32)Γ(12)Γ(n+m+2)=π20n,m(12)n+m+1(n+m+1)!(2n+1)s2m=π20ms2mn=m+1(12)nn!(2n2m1)
一方,
πtanh1s2s1s2=π20n,m(12)nn!(2m+1)s2n+2m=π20ms2mn=0m(12)nn!(2m2n+1)
より,
n=m+1(12)nn!(2n2m1)=n=0m(12)nn!(2m2n+1)
を示せばよいが, これはGaussの超幾何定理より,
n=m+1(12)nn!(2n2m1)n=0m(12)nn!(2m2n+1)=n=0(12)nn!(2n2m1)=22m+12F1[12,12m12m;1]=0
より従う.

20個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361242196796715014 )

0Jn(bx)xneaxdx=(2b)nΓ(12+n)π(a2+b2)1/2+n

Bessel関数の性質はよく知らないので, とりあえず項別積分ですね. 収束範囲とか知らないけど, |b||a|のときは解析接続で示せるのかな.

|b|<|a|とする.
0Jn(bx)xneaxdx=2nbn0m(1)mm!(n+m)!0(bx2)2m+2neaxdx=2nabn0m(1)m(2n+2m)!m!(n+m)!(b2a)2n+2m=(2b)na2n+10m(1)m(12)n+mm!(ba)2m=(2b)n(12)na2n+10m(12+n)nm!(b2a2)m=(2b)nΓ(12+n)πa2n+1(1+b2a2)1/2n=(2b)nΓ(12+n)π(a2+b2)1/2+n

今のところ, 10問中2問ぐらいは全く分からないのが混ざってる感じがします. やっていくうちにもっと多かったり少なかったりするかもしれませんが.

投稿日:202137
OptHub AI Competition

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Wataru
Wataru
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超幾何関数, 直交関数, 多重ゼータ値などに興味があります

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