3

積分botを解けるだけ解く, その4

301
0

前回( https://mathlog.info/articles/1913 )

31個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361351686716014592 )

02πxϕcos2xdx=2π2

黄金比はϕ=1+52です. これはシンプルでいいですね.

途中で, t=tanxの置換をします. また, ϕ(ϕ1)=1であることを用いることができます.
02πxϕcos2xdx=12(02πxϕcos2xdx+02π2πxϕcos2xdx)=π02π1ϕcos2xdx=4π0π/21ϕcos2xdx=4π01ϕ(1+t2)1dt=4πϕ(ϕ1)011+t2dt=2π2

32個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361361701514412032 )

(,)nk=1nsinakxkk=1nxksink=1nakxkk=1nakxkdxn=πn(0<ak)

dxnという略記はdx1dxnのことを表してますね. 数学的帰納法でうまくいくでしょうか.

変数変換xkxkakにより,
Rnsink=1nxkk=1nxkk=1nsinxkxkdxk=πn
を示せばよい. まず, 0<a<1に対し, xkxkの置換により,
Rnsin(ak=1nxk)k=1nsinxkxkdxk=Rnsin(ak=1nxk)k=1nsinxkxkdxk=0
ここで, nに関する帰納法により, 0<a<1に対し,
Rncos(ak=1nxk)k=1nsinxkxkdxk=πn
であることを示す. n1まで成立するとすると,
Rncos(ak=1nxk)k=1nsinxkxkdxk=Rncos(ak=1n1xk+axn)k=1nsinxkxkdxk=Rncos(ak=1n1xk)cosaxnk=1nsinxkxkdxkRnsin(ak=1n1xk)sinaxnk=1nsinxkxkdxk=sinxncosaxnxndxnRn1cos(ak=1n1xk)k=1n1sinxkxkdxksinxnsinaxnxndxnRn1sin(ak=1n1xk)k=1n1sinxkxkdxk=ππn10=πn
最後の変形は帰納法の仮定と,
sinxcosaxxdx=12sin(1+a)x+sin(1a)xxdx=π
であることを用いた. よって,
Rncos(ak=1nxk)k=1nsinxkxkdxk=πn
において, a0から1まで積分し, 積分順序の交換をして,
Rnsink=1nxkk=1nxkk=1nsinxkxkdxk=πn
を得る.

33個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361362358891737091 )

0a1+x4x21+x4dx=2arctan1+a41a2

これは不定積分ですね, a=0であっているので, 右辺を微分して, 積分の中身になることを示せば十分です.

ddaarctan1+a41a=11+1+a41a2(121+a414a321+a4a1+a41a2)=1a2+1+a41(a41+a41+a411+a41)=1a2+1+a411+a411+a41+a41=12(1+a41)(1+a4+a2)1+a411+a4=121+a2a21+a4
より, 示された.

34個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361369876883931139 )

0cosπx21+2cosh2πx3dx=2+2680sinπx21+2cosh2πx3dx=2+6238

前々回の記事( https://mathlog.info/articles/1901 ) の命題1と同様の方法でいけると思いました. が, 少し工夫する必要があり大変でした.

まず,
I:=eiπx21+2cosh2πx3dx
と置く, 被積分関数はx=±i3に極をもつが, 虚部が±i3の直線上で主値積分を考えることができる.
積分路1 積分路1
上のような積分路で積分をすると, 主値積分を考えるので, x=i3における留数の半分が含まれているとみなせて,
I=eiπx21+2cosh2πx3dx=eiπ(x+i/3)21+2cosh(2πx3+2πi3)dx+πiResx=i3eiπx21+2cosh2πx3=eiπ/3eiπx22πx/31+2cosh(2πx3+2πi3)dx+12eiπ/3=eiπ/3eiπx2+2πx/31+2cosh(2πx32πi3)dx+12eiπ/3
よって,
eiπx22πx/31+2cosh(2πx3+2πi3)dx=eiπ/3I12eiπx2+2πx/31+2cosh(2πx32πi3)dx=eiπ/3I12
ここで, y=e2πx/3,ω=e2πi/3とすると,
11+2cosh2πx3=11+y1+y=y(1y)1y3e2πx/31+2cosh(2πx3+2πi3)=y1+ωy1+ω2y=ω2y2(1ω2y)1y3e2πx/31+2cosh(2πx32πi3)=y11+ω2y1+ωy=ω(1ωy)1y3
よって,
ωy(1y)1y3+ω2ω2y2(1ω2y)1y3+ω2ω(1ωy)1y3=1
より,
eiπ/4=eiπx2dx=eiπx2(e2πi/31+2cosh2πx3+e2πi/32πx/31+2cosh(2πx3+2πi3)+e2πi/3+2πx/31+2cosh(2πx32πi3))dx=e2πi/3I+2e2πi/3(eiπ/3I12)=(e2πi/3+2eiπ/3)Ie2πi/3
よって,
I=eiπ/4+e2πi/3e2πi/3+2eiπ/3=eiπ/3eiπ/4+eiπ/3=1+i322+i22+1i32=2+264+i(2+6234)
あとは, Iの実部と虚部を比較すればよい.

35個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361377447631933444 )

01tan1qp2x2+1qp2x2+1pqrdx(r2+1)p2x2+1=π28+12((tan11p~)2(tan1q~)2(tan1r~)2)p~=rq2+1,q~=pr2+1,r~=qp2+1

かなり複雑ですが, 右辺が美しい感じがします. 方針としては, とりあえずp,qについて偏微分してみるのがよさそうですね. と思ったんですが, p=0とすると, 左辺は0になりますが, 右辺は
π2812((tan11rq2+1)2(tan1q)2)
となって, これは一般に成立していませんでした. なにか条件を書き忘れているかもしれないので, 次いきましょう.

36個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361381831338254337 )

0cos10πx2sin6πx2sinh22πxdx=1160sin10πx2sin6πx2sinh22πxdx=18π

またまた工夫が必要そうなやつが来ましたね. もちろん見た目的に10±6がともに平方数であることに依存しているのは明らかなんですが, 特に16の方が難しいと思いました. うまい方法が思いつきませんでした.

37個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361395680254849027 )

ab1+11+f(x)f(a+bx)dx=(1+2)ab111+f(x)f(a+bx)dx

おもしろい式ですね, 言われるまで気づかなさそうです.

まず,
y=11+f(x)f(a+bx)
と置いて,
1+y1y=2y1+y+1y=2y1+1y=2y1+1y=2f(a+bx)f(x)+f(a+bx)(f(x)+f(a+bx)+f(x))=2f(x)+f(a+bx)f(x)f(x)+f(a+bx)=2111+f(a+bx)f(x)
よって,
ab1+ydx=ab1ydx+2ab111+f(a+bx)f(x)dx
この最後の項に, xa+bxの置換をすればよい.

38個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361400126292385793 )

01xa1(1x)b1(p+x)abdx=B(a,b)(1+p)apb

久しぶりに基本的な式が来た気がします.

x(1+p)xp+xの置換により,
B(a,b)=01xa1(1x)b1dx=(1+p)apb01xa1(1x)b1(p+x)abdx
よって,
01xa1(1x)b1(p+x)abdx=B(a,b)(1+p)apb

39個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361407667072208896 )

K(x):=π22F1[12,121;x2],I(m,n):=01K(x1/m)ndx
I(1,1)=2β(2)I(2,1)=2I(3,1)=32β(2)+34I(4,1)=209I(5,1)=4532β(2)+6564I(2,2)=72ζ(3)I(4,2)=72ζ(3)+1I(6,2)=23164ζ(3)+5132I(8,2)=23864ζ(3)+881432

K(x)は第1種完全楕円積分ですね. n=1の場合は証明できたので, それだけ書こうと思います. n=2の場合はなにもわからない.

n=1の場合

K(x)=0π/211y21x2y2dy
より,
I(m,1)=01K(x1/m)dx=m01xm1K(x)dx=m0101xm11y21x2y2dxdy=m010yxm1ym1y21x2dxdy
ここで, xsinx,ysinyとすると,
010yxm1ym1y21x2dxdy=0π/20ysinm1xsinmydxdy=0π/2xπ/2sinm1xsinmydydx
mが偶数, m=2rのとき, 不定積分,
1sin2rxdx=22rr(2rr)cosxk=0r1(2kk)(2sinx)2k+1
を用いて,
0π/2xπ/2sin2r1xsin2rydydx=22rr(2rr)0π/2cosxsin2r1xk=0r1(2kk)(2sinx)2k+1dx=22rr(2rr)k=0r1(2kk)22k+10π/2cosxsin2r2k2xdx=22r1r(2rr)k=0r1(2kk)22k(2r2k1)
mが奇数, m=2r+1のとき, 不定積分,
1sin2r+1xdx=122r(2rr)lntanx2122r+1(2rr)cosxk=1r1k(2kk)(2sinx)2k
を用いて,
0π/2xπ/2sin2rxsin2r+1ydydx=122r+1(2rr)0π/2sin2rxcosxk=1r1k(2kk)(2sinx)2kdx122r(2rr)0π/2sin2rxlntanx2dx=122r+1(2rr)k=1r22kk(2kk)0π/2sin2r2kxcosxdx122r(2rr)0π/2sin2rxlntanx2dx=122r+1(2rr)k=1r22kk(2r2k+1)(2kk)122r(2rr)0π/2sin2rxlntanx2dx

ここで, tanx2xの置換により,
0π/2sin2rxlntanx2dx=01(2x1+x2)2r+1lnxxdx=0xcosh2r+1xdx
ここで, Re(s)を十分大きくとって, Mellin変換を考える.
0xs1cosh2r+1xdx=22r+10xs1e(2r+1)x(1+e2x)2r+1dx=22r+1k=0(1)k(2r+kk)0xs1e(2r+2k+1)xdx=22r+1(2r)!k=0(1)k(k+1)(k+2r)(2r+2k+1)s=22r+1(2r)!k=0(1)kr(k+1r)(k+2r)(k+r)(2k+1)s=22r+1(2r)!k=0(1)kr(2k+1)si=0r1((k+12)2(i+12)2)=22r+1(12)n2(2r)!k=0(1)k(2k+1)si=0r1(1(2k+1)2(2i+1)2)=122r1(2rr)k=0(1)k(2k+1)si=0r1(1(2k+1)2(2i+1)2)
ここで, 自然数の組(k1,,ka)に対し,
tn(k1,,ka):=0n1<n2<<na<n1(2n1+1)k1(2na+1)ka
と定義すると,
i=0r1(1(2k+1)2(2i+1)2)=j=0r(1)jtr({2}j)(2k+1)2j
ここで, {2}j2j個並んだものを表し, tn({2}0)=tn()=1とする. これを先ほどの式に代入して,
0xs1cosh2r+1xdx=122r1(2rr)k=0(1)k(2k+1)sj=0r(1)jtr({2}j)(2k+1)2j=122r1(2rr)j=0r(1)jtr({2}j)k=0(1)k(2k+1)s2j=122r1(2rr)j=0r(1)jtr({2}j)β(s2j)
ここで, β(s)はDirichletのベータ関数である. 上の式において, 解析接続により, s=2を代入して,
0xcosh2r+1xdx=122r1(2rr)j=0rtr({2}j)β(22j)=122r1(2rr)(β(2)j=0r1(1)jtr({2}j+1)β(2j))
ここで, Euler数Ejを用いて, β(2j)=E2j2と表せることを用いて,
0xcosh2r+1xdx=122r(2rr)(2β(2)j=0r1(1)jtr({2}j+1)E2j)
よって, これより,
0π/2xπ/2sin2rxsin2r+1ydydx=122r+1(2rr)k=1r22kk(2r2k+1)(2kk)+124r(2rr)2(2β(2)j=0r1(1)jtr({2}j+1)E2j)
まとめると, mを自然数として,
I(2r,1)=22r(2rr)k=0r1(2kk)22k(2r2k1)I(2r+1,1)=2r+122r+1(2rr)k=1r22kk(2r2k+1)(2kk)+2r+124r(2rr)2(2β(2)j=0r1(1)jtr({2}j+1)E2j)
よって, I(m,1)をすべて求めることができた.

40個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361409566156718080 )

0π/2J0(cosx)dx=π2(J0(12))2

ベッセル関数なので, 項別積分ですかね.

0π/2J0(cosx)dx=n=0(1)n22nn!20π/2cos2nxdx=12n=0(1)n22nn!2Γ(12)Γ(n+12)Γ(n+1)=π2n=0(1)n(12)n22nn!3=π2n=01n!2(2nn)(116)n
一方,
(J0(12))2=(n=01n!2(116)n)2=n=0(116)nk=0n1k!2(nk)!2=n=01n!2(116)nk=0n(nk)2
ここで, Vandermondeの恒等式より,
k=0n(nk)2=(2nn)
だから,
(J0(12))2=n=01n!2(2nn)(116)n
よって, 示された.

たまに簡単なものがあると, 気休めになっていいですよね. 今回も楽しかったです. 命題5の正確な条件が気になるところですね.

投稿日:202139
OptHub AI Competition

この記事を高評価した人

高評価したユーザはいません

この記事に送られたバッジ

バッジはありません。
バッチを贈って投稿者を応援しよう

バッチを贈ると投稿者に現金やAmazonのギフトカードが還元されます。

投稿者

Wataru
Wataru
738
49348
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

コメント

他の人のコメント

コメントはありません。
読み込み中...
読み込み中