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積分備忘録

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問題

a<1, 0<aとする.

I=0πdxa+cos2x

広義積分を使う解法

広義積分の場合は雑魚問題です。
I=0πdxa+cos2x

y=xπ2とおく。

=π2π2dya+sin2y
=20π2dya+sin2y

t=tanyとおく。

I2=01a+y21+y211+y2dy
=0dy(a+1)y2+a
=1a0dy(a2+aay)2+1
=1aaa2+a[tan1a2+aay]0


(i) 0<aのとき

I2=1aaa2+aπ2=π2a2+a


(ii) a<1のとき

I2=1aaa2+a(π2)=π2a2+a


(i), (ii)より

I=|a|πaa2+a=π sgnaa2+a

広義積分を使わない解法

I=0πdxa+cos2x

対称性より

I2=0π2dxa+cos2x


(i) 0<aのとき

I2=0π2dxa+1sin2x
Ia+1=0π21a+1sinx+1a+1+sinxdx

t=tanx2とおく。
Ia+1=01(1a+12t1+t2+1a+1+2t1+t2)21+t2dt
a+12I=011(1+t2)a+12t+1(1+t2)a+1+2tdt
a+12I=011(t1a+1)2+a1+a+1(t+1a+1)2+a1+adt
=a+1a011(a2+aat1a)2+1+1(a2+aat+1a)2+1dt
a2I=aa2+a[tan1(a2+aat1a)+tan1(a2+aat+1a)]01
a2+a2I={tan1(a2+aaa)+tan1(a2+a+aa)}{tan1(1a)+tan1(1a)}

(a2+aaa)(a2+a+aa)=1より
tan1(a2+aaa)+tan1(a2+a+aa)=π2
また
tan1(1a)+tan1(1a)=0より

a2+a2I=π2
I=πa2+a


(ii) a<1のとき

I2=0π2dxa+cos2x
=12a0π21acosx+1a+cosxdx

t=tanx2とおく。

Ia=01(1a1t21+t2+1a+1t21+t2)21+t2dt
a2I=011(a+1)t2+a1+1(a1)t2+a+1dt
=011a11a+1a1t2+1+1a+11a1a+1t2+1dt
=[1a1a1a+1tan1(t a+1a1)+1a+1a+1a1tan1(t a1a+1)]01
=[1a1(tan1(t a+1a1)+tan1(t a1a+1))]01
=1a1(tan1a+1a1+tan1a1a+1)

( a+1a1)( a1a+1)=1より

a2I=π2a1
I=πa2+a


(i), (ii)より

I=|a|πaa2+a=π sgnaa2+a

J=0πsinx2+3+sin2x dx

積分ガチャ超級に応募しなかった例の問題をそのまま出したところ、友人に想定してない方法で解かれまして、これならズルできまいと作った問題です。解き方は例の問題と一緒ですので、途中は省略して解答は以下の通りです。

J=π62+3+log(1+3)12log22log(21)(3+2)

投稿日:202446
更新日:2024515
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