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面白い積分の問題

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前置き

この前、面白そうな積分の問題を見つけたので解いていこうと思います。
もとの動画は これ です。
1886年のケンブリッジ大学の入試問題らしいです。

解く積分

その積分はこちらです。

04lnx4xx2dx

解法

04lnx4xx2dx=04lnx4(x2)2dx=π2π2ln(2sinθ+2)44sin2θ2cosθdθx22sinθ=π2π2ln(2sinθ+2)2cosθ2cosθdθ1sin2θ=cosθ(π2θπ2)=π2π2ln(2sinθ+2)dθ=π2π2ln2dθ+π2π2ln(1+sinθ)dθ=πln2+π2π2ln(1+sinθ)dθ=πln2+π2π2ln(1sinθ)dθθθKing Property=12(2πln2+π2π2ln(1+sinθ)+ln(1sinθ)dθ)=πln2+12π2π2ln(1sin2θ)dθ=πln2+20π2ln(cosθ)dθ=πln2+0π2ln(cosθ)dθ+0π2ln(cosθ)dθ=πln2+0π2ln(sinθ)dθ+0π2ln(cosθ)dθθπ2θKing Property=πln2+0π2ln(sinθcosθ)dθ=πln2+0π2ln(sin2θ2)dθ=πln2+0π2ln(sin2θ)dθ0π2ln2dθ=π2ln2+120πln(sint)dt2θt=π2ln2+12(0π2ln(sint)dt+π2πln(sint)dt)=π2ln2+12(0π2ln(sint)dt+π20ln(sin(πt))(dt))tπt=π2ln2+0π2ln(sint)dt
同型出現したので13行目の式と比較して、
0π2ln(cosθ)dθ=0π2ln(sinθ)dθ=π2ln2
なので、求めたい積分は、
04lnx4xx2dx=0
と計算できました。

投稿日:20241116
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