Chat-GPTに「難しい定積分の問題作って」と入力して出てきた 問題 を解いたときのメモです。
$$\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\ln{\sin{x}}}{\sqrt{\cos{x}}}dx =\frac{\varpi}{2} \left(\log2-\frac{\pi}{2}\right)$$
$\varpi$はレムニスケート周率$\varpi=2\int_{0}^{1}\frac{1}{\sqrt{1-x^4}}dx$です。
積分を解くのにベータ関数の偏微分やらディガンマ関数の差の積分表示やらを使うので置いときます。
$$ \frac{ \partial }{ \partial n }B(n,m) = B(n,m)(\psi(n)-\psi(n+m)) $$
$$ \psi(y)-\psi(x) = \int_{0}^{1} \frac{t^{x-1}-t^{y-1}}{1-t}dt $$
$$
B(n,m) = \int_{0}^{1}x^{n-1}(1-x)^{m-1}dx
= 2\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\sin^{2n-1}x\cos^{2m-1}xdx
$$
より
$$
\begin{eqnarray}
\frac{ \partial }{ \partial n }B(n,m)
&=&
2\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{ \partial }{ \partial n }\sin^{2n-1}x\cos^{2m-1}xdx\\
&=&
4\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\sin^{2n-1}x\cos^{2m-1}x\ln(\sin x) dx
\end{eqnarray}
$$
公式$1$公式$2$と合わせて
$$
\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\sin^{2n-1}x\cos^{2m-1}x\ln(\sin x) dx
=\frac{1}{4}B(n,m)(\psi(n)-\psi(n+m))
=\frac{1}{4}B(n,m)\int_{0}^{1} \frac{t^{n+m-1}-t^{n-1}}{1-t}dt
$$
これに$n=\frac{1}{2},m=\frac{1}{4}$を代入すれば求めたい積分を得られる
$$
\begin{eqnarray}
\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{\ln{\sin{x}}}{\sqrt{\cos{x}}}dx
&=&
\frac{1}{4}B\left(\frac{1}{2},\frac{1}{4}\right)
\int_{0}^{1} \frac{t^{-\frac{1}{4}}-t^{-\frac{1}{2}}}{1-t}dt\\
&=&
\frac{1}{4}\int_{0}^{1}x^{-\frac{1}{2}}(1-x)^{-\frac{3}{4}}dx
\cdot 4\int_{0}^{1} \frac{y^2-y}{1-y^4}dy \quad (y=t^{\frac{1}{4}})\\
&=&
\frac{1}{4}\cdot
4\int_{0}^{1}\frac{1}{\sqrt{1-u^4}}du \cdot 2\int_{0}^{1} \frac{-2y}{(y+1)(y^2+1)}dy\quad (u=(1-x)^{\frac{1}{4}})\\
&=&
\frac{\varpi}{2}\cdot 2\int_{0}^{1}\frac{1}{y+1}-\frac{y+1}{y^2+1}dy\\
&=&
\frac{\varpi}{2}
\left(
2\int_{0}^{1}\frac{dy}{y+1}-2\int_{0}^{1}\frac{y}{y^2+1}dy-2\int_{0}^{1}\frac{1}{y^2+1}dy
\right)\\
&=&
\frac{\varpi}{2}
\left(
2\log2-\log2-\frac{\pi}{2}
\right)\\
&=&
\frac{\varpi}{2}
\left(\log2-\frac{\pi}{2}
\right)\\
\end{eqnarray}
$$