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積分botを解けるだけ解く, その7

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61個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361634764126629892 )

0πdx(1+a22acosx)(1+b22bcosx)=π(1+amb)(1a2)(1b2)(1amb)

見るからにFourier級数展開をつかう感じがありますね. 最初に積分区間を(π,π)にしておけばいい感じです.

積分区間を(π,π)にすると, Fourier級数の定数項だけを考えればいいから,
0πdx(1+a22acosx)(1+b22bcosx)=12ππdx(1+a22acosx)(1+b22bcosx)=12(1a2)(1b2)ππ(1+aeix1aeix+aeix1aeix)(1+beimx1beimx+beimx1beimx)dx=12(1a2)(1b2)ππ(1+aeix1aeixbeimx1beimx+aeix1aeixbeimx1beimx)dx=12(1a2)(1b2)ππ(1+0<r,sarbsei(rms)+0<r,sarbsei(rms))dx=12(1a2)(1b2)ππ(1+20<samsbs)dx=π(1a2)(1b2)1+amb1amb
となって, 示すことができた.

62個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361642902963646470 )

01xli(1x)ln1/4(1x)dx=(12tan124+tanh1124424)Γ(14)

対数積分は扱ったことないですね. とりあえず定義を確認しておきます.
li(x):=0x1lntdt
という主値積分で定義されるようですね. li(x)=Ei(lnx)という関係があるらしいので, 変数変換するかどうか迷いどころですね. そして値がすごいので, 結構大変な予感はしますね.

xexと置換して,
01xli(1x)ln1/4(1x)dx=0x1/4e2xEi(x)dx=125/40x1/4exEi(x2)dx
ここで,

Ei(x)=γ+lnx+0<n1n!nxn
より, 項別に積分して,
0x1/4exEi(x2)dx=0x1/4ex(γ+lnx2)dx+0<n12nn!n0xn+1/4exdx=Γ(54)(γln2+ψ(54))+0<nΓ(n+54)2nn!n=Γ(54)(4π24ln2+0<n(54)n2nn!n)
ここで,

0<n(54)n2nn!n=01/2(1x)5/41xdx=1/21x5/411xdx=γψ(14)+ln20n12n1/4(n1/4)=4π2+4ln2+42440n12n+3/4(4n+3)=4π2+4ln2+4242tanh1124+2tan1124
よって, これを先ほどの式に代入して,

0x1/4exEi(x2)dx=Γ(54)(424π2tanh1124+2tan1124)=Γ(54)(4242(tan124+tanh1124))=(2412(tan124+tanh1124))Γ(14)
よって,

01xli(1x)ln1/4(1x)dx=125/4(2412(tan124+tanh1124))Γ(14)=(12tan124+tanh1124424)Γ(14)

63個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361680040338022401 )

01ln1xs+(1x)sdxx=π212(s1s)

なかなかおもしろい形をしていますね.

まず,
01ln1xs+(1x)sdxx=01/2ln(xs+(1x)s)(1x+11x)dx=01/2ln(xs+(1x)s)x(1x)dx
xx1+xの置換により,
01/2ln(xs+(1x)s)x(1x)dx=01ln(1+xs(1+x)s)xdx=01ln(1+xs)xdx+s01ln(1+x)xdx=(s1s)01ln(1+x)xdx=(s1s)0<n(1)n1n01xn1dx=(s1s)0<n(1)n1n2=π212(s1s)
よって, 示された.

64個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361694557163851777 )

0J0(ax)epxdx=1a2+p2

解いたかどうかよくわからなくなりそうでしたが, 前に解いたものの特殊な場合でした.

少し前の記事( https://mathlog.info/articles/1901 ) の命題10において, n=0とすればよい.

65個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361702094760071168 )

ex1+e2πxdx=12sin12

割と基本的な積分ですね.

項別積分により,
eax1+ebxdx=0eax1+ebxdx+0e(ba)x1+ebxdx=0(eax+e(ba)x)0ne(1)nbnxdx=0n(1)n0(e(a+bn)x+e(b(n+1)a))dx=0n(1)n(1a+bn+1b(n+1)a)=12nZ(1)n(1a+bn+1abn)
ここで, πsinπxの部分分数展開,
πsinπx=12nZ(1)n(1x+n+1xn)
より,
12nZ(1)n(1a+bn+1abn)=πbsinπab
よって,
eax1+ebxdx=πbsinπab
ここに, a=1,b=2πを代入すればよい.

66個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361702677483294721 )

0coshx2cosh2xdxcoshαx=1α0coshx2cosh2xdxcoshxα

これは見た目からしてFourier変換をつかうやつですね. Fourier変換しても変わらない関数っておもしろいですよね. (証明ではπ倍の変換してますが, それはただの癖です.)

1つ目の命題の証明で用いた式を書き換えると,
cosh2πaxcoshπcxdx=1ccosπac
また,

cosh2πaxcoshπcxcosh2πbxdx=12cosh2π(a+b)x+cosh2π(ab)coshπcxdx=12c(1cosπc(a+b)+cosπc(ab))
bbiとして,
cosh2πaxcoshπcxcos2πbxdx=12c(1cosπc(a+bi)+cosπc(abi))=1cRe(cosπc(a+bi))=2cosπaccoshπbcc(cos2πac+cosh2πbc)
ここに, a=122,c=2を代入して,
coshπx2cosh2πxcos2πbxdx=coshπb2cosh2πb
これらを用いて,
0coshx2cosh2xdxcoshαx=π2coshπx2cosh2πxdxcoshπαx=π2coshπy2cosh2πycos2πxydydxcoshπαx=π2coshπy2cosh2πycos2πxycoshπαxdx=π2αcoshπy2cosh2πydxcoshπxα=1α0coshx2cosh2xdxcoshxα

67個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361714058605559811 )

011x1dx=ζ(2)1

シンプルなのがきましたね.

011x1dx=11xx2dx=n=11nnn+11x2dx=n=11n(1n1n+1)=ζ(2)1

68個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361724068345610245 )

01x2+x8x2+8x+14dx=Γ(18)2211/4Γ(14)

やはり, 最も難しい積分って意外とこういう代数関数の積分だと思うんですよね. 全く分かりませんが, とりあえずxx1xの置換をしたいですね.
01x2+x8x2+8x+14dx=011x1+6x+x24dx
分かりませんね.

69個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361742972006653953 )

01xln1+x1x(π2+ln21+x1x)2dx=1240

見た目的にまずはxtanhxの置換から, 留数定理をつかうことを考えたいですね.

xtanhxの置換により,
01xln1+x1x(π2+ln21+x1x)2dx=02x(π2+4x2)2sinhxcosh3xdx=1412πi(1(2xiπ)21(2x+iπ)2)sinhxcosh3xdx=11612πi(1(xiπ2)21(x+iπ2)2)sinhxcosh3xdx
ここで, 次のような積分路Cを考えて, Rとすると,
積分路1 積分路1
12πi(1(xiπ2)21(x+iπ2)2)sinhxcosh3xdx=12πilimRCx2coshxsinh3xdx=Resx=0coshxx2sinh3x=115
よって,
01xln1+x1x(π2+ln21+x1x)2dx=1240

70個目( https://twitter.com/integralsbot/status/1361754931951112193 )

eα3xcosh3αx2F1[α,3α1+α;e3x2coshx]dx=23α1α3Γ(α)3Γ(3α)

こんなものまであるのか, 見たところまあ超幾何だから, なんとか解けるんじゃないかなと思ったましたが, これは僕の固定観念を打ち砕くほどすごい結果だと思いました. いや, こんな結果が本当に成り立ってるのか(つまり, 解けません.)

今日は午前だけで10個取り組めるかもしれない, と思ったら, ちょっとすぎてしまいましたね. まあ示せそうなものは示せた, という感じですね. 今日は午後も暇なのでもう10個解けるかも.

投稿日:2021313
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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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