3

積分botさんの積分解説5 ∫[0,∞]((x-1)/(log^2x)-1/logx)/(x^2+1)dx

108
0
$$\newcommand{a}[0]{\alpha} \newcommand{asn}[0]{\hspace{16pt}(\mathrm{as}\ n\to\infty)} \newcommand{b}[0]{\beta} \newcommand{beq}[0]{\begin{eqnarray*}} \newcommand{c}[2]{{}_{#1}\mathrm{C}_{#2}} \newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{cb}[0]{\binom{2n}{n}} \newcommand{dhp}[0]{\dfrac{\pi}2} \newcommand{ds}[0]{\displaystyle} \newcommand{eeq}[0]{\end{eqnarray*}} \newcommand{G}[1]{\Gamma({#1})} \newcommand{g}[0]{\gamma} \newcommand{hp}[0]{\frac{\pi}2} \newcommand{I}[0]{\mathrm{I}} \newcommand{l}[0]{\ell} \newcommand{limn}[0]{\lim_{n\to\infty}} \newcommand{limx}[0]{\lim_{x\to\infty}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{nck}[0]{\binom{n}{k}} \newcommand{p}[0]{\varphi} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{space}[0]{\hspace{12pt}} \newcommand{sumk}[1]{\sum_{k={#1}}^n} \newcommand{sumn}[1]{\sum_{n={#1}}^\infty} \newcommand{t}[0]{\theta} \newcommand{tc}[0]{\TextCenter} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

${}$

この記事では, 積分botさんのツイートされていた 以下の積分 の解説を書こうと思います.
${}$

$$\int_0^\infty\left(\frac{x-1}{\ln^2x}-\frac{1}{\ln x}\right)\frac{dx}{x^2+1}=\frac{4\b(2)}{\pi}$$

${}$

なんか面白いなと思いました.
${}$

(証明)

$$\beq &&\int_0^\infty\left(\frac{x-1}{\ln^2x}-\frac{1}{\ln x}\right)\frac{dx}{x^2+1}\\[5pt] &=&\int_0^\infty\int_0^1\frac{x^t-1}{\ln x}\,dt\frac{dx}{1+x^2}\\[5pt] &=&\int_0^\infty\int_0^1\int_0^t\frac{x^s}{1+x^2}\,dsdtdx\\[5pt] &=&\frac12\int_0^1\int_0^t\int_0^\infty\frac{x^{\frac{s-1}2}}{1+x}\,dxdsdt\\[5pt] &=&\frac12\int_0^1\int_0^tB\left(\frac{1+s}2,\frac{1-s}2\right)\,dsdt\\[5pt] &=&\frac12\int_0^1\int_0^t\frac{\pi}{\cos\frac{\pi s}2}\,dsdt\\[5pt] &=&\frac\pi2\int_0^1\frac{1-t}{\cos\frac{\pi s}{2}}\,dt\\[5pt] &=&\frac{2}{\pi}\int_0^{\hp}\frac{t}{\sin t}\,dt\\[5pt] &=&\frac{4\b(s)}{\pi} \eeq$$

示すことができました. ただし, 6行目から7行目の変形は部分積分によります.
${}$

読んで下さった方, ありがとうございました.
${}$

${}$

※ 6行目から7行目の具体的な式変形

$$\beq &&\int_0^1\int_0^t\frac{1}{\cos\frac{\pi s}2}\,dsdt\\[5pt] &=&-\int_0^1(1-t)'\int_0^t\frac{1}{\cos\frac{\pi s}2}\,ds\,dt\\[5pt] &=&-\left[(1-t)\int_0^t\frac{1}{\cos\frac{\pi s}2}\,ds\right]_0^1 \\[5pt] &&\hspace{40pt}+\int_0^1(1-t)\left(\int_0^t\frac{1}{\cos\frac{\pi s}2}\,ds\right)'\,dt\\[5pt] &=&\int_0^1\frac{1-t}{\cos\frac{\pi s}2}\,dt \eeq$$

${}$

${}$

投稿日:2021323

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。

投稿者

東大理数B3です

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