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大学数学基礎解説
文献あり

積分botの積分

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今回は こちら の式を証明します。
K(x)を第一種完全楕円積分とします。

01K(x)1x2 dx=Γ(14)416π

Wallisの公式

0π2sin2nθ dθ=π2(2n1)!!(2n)!!

In=0π2sin2nθ dθとおく。すると、
In=0π2sin2nθ dθ=0π2sinθsin2n1θ dθ=[cosθsin2n1θ]0π2+(2n1)0π2cos2θsin2n2θ dθ=(2n1)0π2(1sin2θ)sin2(n1)θ dθ=(2n1)0π2sin2(n1)θ dθ(2n1)0π2sin2nθ dθ=(2n1)In1(2n1)In
となるからIn=2n12nIn1という漸化式が導かれる。
また、初項であるI0
I0=0π2sin20θ dθ=0π2dθ=π2
だから
In=π21234562n12n=π2(2n1)!!(2n)!!

K(x)の級数展開

K(x)=π2n=0((2n1)!!(2n)!!)2x2n

K(x)=F(π2,x)=0π2(1x2sin2θ)12 dθ=0π2(1+n=1(2n1)!!2n(x2sin2θ)nn!) dθ=π2+n=1(2n1)!!(2n)!!x2n0π2sin2nθ dθ=π2+n=1(2n1)!!(2n)!!x2nπ2(2n1)!!(2n)!!=π2n=0((2n1)!!(2n)!!)2x2n

これで証明の準備が整いました。

まず、K(x)を級数展開して変形します。
01K(x)1x2dx=0111x2π2n=0((2n1)!!(2n)!!)2x2n dx=π2n=0((2n1)!!(2n)!!)201x2n1x2 dx=π2n=0((2n1)!!(2n)!!)20π2sin2nx dx=π24n=0((2n1)!!(2n)!!)3
なんだかn=0((2n1)!!(2n)!!)3がとても厄介そうですね。
とりあえずできる範囲で式変形してみます。
n=0((2n1)!!(2n)!!)3=n=0(12)n3n!3=3F2[12,12,121,1;1]
ここでDixonの恒等式でa=b=c=12とすれば
n=0((2n1)!!(2n)!!)3=3F2[12,12,121,1;1]=Γ(1+14)Γ(1+141212)Γ(1+1212)Γ(1+1212)Γ(1+12)Γ(1+121212)Γ(1+1412)Γ(1+1412)=14Γ(14)Γ(14)Γ(1)Γ(1)12Γ(12)Γ(12)Γ(34)Γ(34)=12πΓ(14)2Γ(34)2Γ(34)4=12π2π2Γ(34)4=πΓ(34)4
ここで相反公式よりΓ(34)=1Γ(14)πsin(π4)=2πΓ(14)が成り立つので
01K(x)1x2 dx=π24n=0((2n1)!!(2n)!!)3=π24n=0(12)n3n!3=π243F2[12,12,121,1;1]=π3Γ(34)4=Γ(14)416π
レムニスケート周率ϖを用いればこの積分はϖ22と表現できます。

参考文献

投稿日:2021317
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Ιδέα
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割り算が苦手です

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