今回は自分のお気に入りの積分を紹介します。
\begin{align} \int_{0}^{\pi}\frac{\sin^{2n}x}{(1-2r\cos x+r^{2})^{n+1}}dx= \frac{\pi}{2^{2n}(1-r^2)}\binom{2n}{n} \end{align}
途中から超幾何級数の変形があるのですが、そこはまめけびさんに教えてもらいました。
この積分は今のところ私のお気に入りの積分です。さっそく解説です。
\begin{eqnarray}
\int_{0}^{\pi}\frac{\sin^{2n}x}
{(1-2r\cos x+r^2)^{n+1}}dx\\
\end{eqnarray}
\begin{eqnarray}
&=&\int_{0}^{\pi}\sin^{2n}x
\int_{0}^{\infty}y^{n}e^{-y(1-2r\cos x+r^2)}\frac{dydx}{n!}\\
&=&\int_{0}^{\infty}\frac{y^n}{n!}e^{-y(1+r^2)}
\int_{0}^{\pi}\sin^{2n}xe^{2ry\cos x}dxdy\\
&=&\frac{1}{n!}\int_{0}^{\infty}y^ne^{-y(1+r^2)}\int_{0}^{\pi/2}\sum_{k≥0}(2ry)^k(1+(-1)^k)
\sin^{2n}x\cos^kx\frac{dxdy}{k!}\\
&=&\frac{2}{n!}\int_{0}^{\infty}
y^ne^{-y(1+r^2)}\int_{0}^{\pi/2}
\sum_{k≥0}\frac{(2ry)^{2k}}{(2k)!}\sin^{2n}x\cos^{2k}xdxdy\\
&=&\frac{1}{n!}\sum_{k≥0}\frac{
(2r)^{2k}
\Gamma(n+\frac{1}{2})\Gamma(k+\frac{1}{2})}{\Gamma(n+k+1)}\int_{0}^{\infty}y^{n+2k}e^{-y(1+r^2)}\frac{dy}{(2k)!}\\
&=&\frac{1}{n!}\sum_{k≥0}\frac{\Gamma(n+\frac{1}{2})\Gamma(k+\frac{1}{2})}{\Gamma(n+k+1)}
\frac{(2r)^{2k}\Gamma(n+2k+1)}{(1+r^2)^{n+2k+1}(2k)!}\\
&=&\frac{\pi\binom{2n}{n}}{(1+r^2)^{n+1}2^{2n}}\sum_{k≥0}
\frac{(n+2k)!}{k!(n+k)!}
\left(\frac{r}{1+r^2}\right)^{2k}\\
&=&\frac{\pi\binom{2n}{n}}{2^{2n}(1+r^2)^{n+1}}
F\left[
\begin{array}
11+\frac{n}{2};\frac{n+1}{2}\\
n+1
\end{array}
;\frac{4r^2}{(1+r^2)^2}
\right]\\
\end{eqnarray}
(Kummerの2次変換公式)
\begin{eqnarray}
&=&\frac{\pi\binom{2n}{n}}{2^{2n}(1+r)^{2n+2}}
F\left[
\begin{array}
nn+1;n+\frac{1}{2}\\
2n+1
\end{array}
;\frac{4r}{(1+r)^2}\right]
\end{eqnarray}
(Baileyの変換公式)
\begin{eqnarray}
&=&\frac{\pi\binom{2n}{n}}{2^{2n}}F\left[
\begin{array}
11\\
-
\end{array}
;r^2\right]\\
&=&\frac{\pi}{2^{2n}(1-r^2)}\binom{2n}{n}
\end{eqnarray}
ほんとこの証明はお気に入りです。
他の証明があれば教えてもらいたいです。
参考にさせていただいたまめけびさんの
リンク↓
https://mamekebi-science.com/math/spetialfunction/hgf-transform1120/
素の状態から超幾何級数に帰着して簡単に解けます。
\begin{eqnarray}
2^{2n}\int_{0}^{\pi}
\frac{\sin^{2n}\frac{x}{2}\cos^{2n}\frac{x}{2}}{\left((1+r)^2-4r\cos^2\frac{x}{2}\right)^{n+1}}dx
\end{eqnarray}
\begin{eqnarray}
&=&2^{2n+1}\int_{0}^{\pi/2}\frac{\cos^{2n}x(1-\cos^2x)^{n}}{\left(1-\frac{4r}{1+r^2}\cos^2x\right)^{n+1}}\frac{dx}{(1+r^2)^{n+1}}\\
&=&\frac{2^{2n}}{(1+r^2)^{n+1}}
\int_{0}^{1}t^{n-1/2}(1-t)^{n-1/2}\left(1-\frac{4r}{1+r^2}t\right)^{-n-1}dt
\end{eqnarray}
これで上の計算に出てくる超幾何級数に帰着出来ます。
修正しました