∫0∞xα1+2xcosπβ+x2dx=πsinπαβsinπαsinπβ
留数定理でも解けますが違う方法で解いてみます。
∫0∞xα1+2xcosπβ+x2dx=∫0∞xα(x+cosπβ)2+sin2πβdx=−Imsinπβ∫0∞xα∫0∞e−t(x+eiπβ)dtdx=−Imsinπβ∫0∞e−teiπβ∫0∞xαe−txdxdt=−ImΓ(α+1)sinπβ∫0∞t−α−1e−teiπβdt=−ImΓ(1+α)Γ(−α)sinπβeiπαβ=πsinπαβsinπαsinπβ
∫−∞∞e−abcoshx+iacsinhx−x/2dx=2πab2+c2e−ab2+c2−i2arctancb
見た目すごいですね。最初は何も思いつかなくても手を動かしてみれば解けました。
∫−∞∞e−abcoshx+iacsinhx−x/2dx=∫−∞∞e−ab2+c2(bb2+c2coshx−icb2+c2sinhx)−x/2dxcosθ=bb2+c2,sinθ=cb2+c2=∫−∞∞e−ab2+c2(cosθcosix+sinθsinix)−x/2dx=∫−∞∞e−ab2+c2cos(ix−θ)−x/2dx=∫−∞−iθ∞−iθe−ab2+c2coshx−(x+iθ)/2dx=e−iθ/2∫−∞∞e−ab2+c2coshx−x/2dx=2e−iθ/2∫0∞e−ab2+c2coshxcoshx2dx=2e−iθ/2e−ab2+c2∫0∞e−ab2+c2tdtt(coshx−1=t)=2πab2+c2e−ab2+c2−i2arccosbb2+c2=2πab2+c2e−ab2+c2−i2arctancb
∫0∞e−βα2+x2α2+x2−αα2+x2sinγxdx=π2γe−αβ2+γ2β2+γ2β+β2+γ2
これはちょっと進めれば問題8に帰着できるのですぐに解けます。
∫0∞e−βα2+x2α2+x2−αα2+x2sinγxdx=α∫0∞e−αβcoshxsin(αγsinhx)coshx−1dx (x=αsinhx)=2α∫0∞e−αβcoshxsin(αγsinhx)sinhx2dx=−α2∫−∞∞e−αβcoshx−x/2sin(αγsinhx)dx=−α2Im∫−∞∞e−αβcoshx+iαβsinhx−x/2dx=πβ2+γ2e−αβ2+γ2sinarctanβγ2=π2e−αβ2+γ2β2+γ2−ββ2+γ2
最後の式は元々の解を有理化したものですね。
∫−∞∞arctanextanhx2xcoshxdx=π2ln2
最近は変数付きの問題しか解いてなかったのでたまには変数のない積分を解いてみますかね。
∫−∞∞arctanextanhx2xcoshxdx=∫0∞1−e−xxarctanex+arctane−xcoshx(1+e−x)dx=π∫0∞∫01e−ux(1+e−x)(1+e−2x)e−xdudx=π∫01∫01vu(1+v)(1+v2)dvdu=π2∫01∫01vu(11+v+1−v1+v2)dvdu=π2∫01∫01vu∑n≥0(−1)nvn+(−1)n(1−v)v2ndvdu=π2∫01∑n≥0(−1)n)n+u+1+(−1)n2n+u+1−(−1)n2n+u+2du=π2∏n≥0(2n+2)2(2n+1)(2n+3)+π8∫01−ψ(u+14)+ψ(u+24)+ψ(u+34)−ψ(u+44)du=π2lnπ2−π2lnπ4=π2ln2
途中にあるプサイはディガンマ関数です。
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