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数学作問1 解説

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はじめに

次の定積分を求めよ.
$$\int_{0}^{1}\sqrt{x+\sqrt{x}}\,dx$$

この問題は普通に解くなら重たいはずです.

とりあえず気合いで解きますか...

本題

次のようにおいておきます.
$$ I=\int_{0}^{1}\sqrt{x+\sqrt{x}}\,dx$$

まず$t=\sqrt{x}$と置換します.すると,
$$I=\int_{0}^{1}2t\sqrt{t^2+t}\,dt=\int_{0}^{1}2t\sqrt{\biggl(t+\dfrac{1}{2}\biggl)^2-\dfrac{1}{4}}\,dt$$

$u=t+\dfrac{1}{2}$と置換.
$$\dfrac{1}{2}I=\int_{\frac{1}{2}}^{\frac{3}{2}}\biggl(u-\dfrac{1}{2}\biggl)\sqrt{u^2-\dfrac{1}{4}}\,du$$

$u=\dfrac{1}{2\cos{\theta}}$と置換.

$\tan{\theta}=2\sqrt{u^2-\dfrac{1}{4}}$

$du=\dfrac{\tan{\theta}}{2\cos{\theta}}d\theta$となる.ただしここで,

$\cos{\theta}=\dfrac{1}{3}$となるような

$\theta$$\theta_0$とする.

$$\dfrac{1}{2}I=\int_{0}^{\theta_0}\dfrac{1}{2}\biggl(\dfrac{1}{\cos{\theta}}-1\biggl)\cdot \dfrac{1}{2}\tan{\theta}\cdot \dfrac{\tan{\theta}}{2\cos{\theta}}d\theta$$

$$=\dfrac{1}{8}\int_{0}^{\theta_0}\biggl(\dfrac{1}{\cos^2{\theta}}-1\biggl)\biggl(\dfrac{1}{\cos^2{\theta}}-\dfrac{1}{\cos^3{\theta}}\biggl)\,d\theta$$
$$4I=\int_{0}^{\theta_0}\dfrac{1}{\cos^4{\theta}}-\dfrac{1}{\cos^3{\theta}}-\dfrac{1}{\cos^2{\theta}}+\dfrac{1}{\cos{\theta}}\,d\theta$$


ここで次のようにおく.
$$J_n=\int_{0}^{\theta_0}\dfrac{1}{\cos^n{\theta}}\,d\theta$$
$4I=J_4-J_3-J_2+J_1$である.
$J_{n+2}$$J_n$の関係を示しましょう.

$$J_{n+2}=\int_{0}^{\theta_0}\dfrac{1}{\cos^{n+2}{\theta}}\,d\theta=\int_{0}^{\theta_0}\dfrac{1}{\cos^n{\theta}}\cdot\dfrac{1}{\cos^2{\theta}}\,d\theta$$
部分積分をすると,
$$J_{n+2}=\biggl[\tan{\theta}\cdot\dfrac{1}{\cos^n{\theta}} \biggl]_{0}^{\theta_0}-n\int_{0}^{\theta_0}\tan{\theta}\cdot\dfrac{\sin{\theta}}{\cos^{n+1}{\theta}}\,d\theta$$
$$=\biggl[\dfrac{\sin{\theta}}{\cos^{n+1}{\theta}} \biggl]_{0}^{\theta_0}-n\int_{0}^{\theta_0}\dfrac{\sin^2{\theta}}{\cos^{n+2}{\theta}}\,d\theta$$
$$=\biggl[\dfrac{\sqrt{1-\cos^2{\theta}}}{\cos^{n+1}{\theta}} \biggl]_{0}^{\theta_0}-n\int_{0}^{\theta_0}\dfrac{1-\cos^2{\theta}}{\cos^{n+2}{\theta}}\,d\theta$$
$\cos{\theta_0}=\dfrac{1}{3}$なので,
$$=\dfrac{\frac{2\sqrt{2}}{3}}{(\frac{1}{3})^{n+1}}-n(J_{n+2}-J_n)$$
よって,
$$(n+1)J_{n+2}=2\sqrt{2}\cdot3^{n}+nJ_n$$
$$J_{n+2}=\dfrac{2\sqrt{2}\cdot3^{n}}{n+1}+\dfrac{n}{n+1}J_n$$


次に$J_1$を求める.
$$J_1=\int_{0}^{\theta_0}\dfrac{1}{\cos{\theta}}\,d\theta=\int_{0}^{\theta_0}\dfrac{\cos{\theta}}{\cos^2{\theta}}\,d\theta$$
$$ \int_{0}^{\theta_0}\dfrac{\cos{\theta}}{1-\sin^2{\theta}}\,d\theta=\dfrac{1}{2}\int_{0}^{\theta_0}\dfrac{\cos{\theta}}{1-\sin{\theta}}+\dfrac{\cos{\theta}}{1+\sin{\theta}}\,d\theta$$
$$=\dfrac{1}{2}\biggl[-\log{|1-\sin{x}|}+\log{|1+\sin{x}|}\biggl]_0^{\theta_0}$$
$$=\dfrac{1}{2}\log{\Biggl|\dfrac{1+\sin{\theta_0}}{1-\sin{\theta_0}}\Biggl|}$$
$\sin{\theta_{0}}=\dfrac{2\sqrt{2}}{3}$より,代入して整理すると,
$$J_1=2\log{(1+\sqrt{2})}$$

$J_2$を解く.
$$J_2=\int_{0}^{\theta_0}\dfrac{1}{\cos^{2}{\theta}}\,d\theta=\tan{\theta_0}=2\sqrt{2}$$

$J_3$は関係式から求める.
$$J_3=3\sqrt{2}+\dfrac{1}{2}J_1$$
$$=3\sqrt{2}+\log{(1+\sqrt{2})}$$

$J_4$も関係式より,
$$J_4=6\sqrt{2}+\dfrac{2}{3}J_2$$
$$=6\sqrt{2}+\dfrac{4\sqrt{2}}{3}=\dfrac{22\sqrt{2}}{3}$$
まとめると,
$$J_1=2\log{(1+\sqrt{2})}$$
$$J_2=2\sqrt{2}$$
$$J_3=3\sqrt{2}+\log{(1+\sqrt{2})}$$
$$J_4=\dfrac{22\sqrt{2}}{3}$$
$4I=J_4-J_3-J_2+J_1$であるから,
$$4I=\dfrac{7\sqrt{2}}{3}+\log{(1+\sqrt{2})}$$
よって,
$$\int_{0}^{1}\sqrt{x+\sqrt{x}}\,dx=\dfrac{7\sqrt{2}}{12}+\dfrac{1}{4}\log{(1+\sqrt{2})}$$

逆関数を求めて長方形から引く.という方法だとより簡単に解けます!
$\LaTeX$を書くのが疲れてきたのでここには記さないでおきます🙇

最後に

いかがでしたか?高校1年生のときに思いついた問題なのですが...
まじで積分作るのを楽しんでた覚えがあります.

今後もこんな感じで作問した問題をちょびちょび放出していきますね!!お楽しみに!!!!

おまけ 問題の不定積分

$$\int\sqrt{x+\sqrt{x}}\,dx=\dfrac{1}{12}\sqrt{x+\sqrt{x}}\Biggl(8x+2\sqrt{x}+\dfrac{3\log{\bigl(\sqrt{1+\sqrt{x}}+\sqrt[4]{x}\bigl)}}{\sqrt{x+\sqrt{x}}}-3\Biggl)+C$$

投稿日:817
更新日:818
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投稿者

高校3年生 特殊関数好きです Twitterに問題貼ります。解いてみてね

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