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。
その積分はこちらです。
∫04lnx4x−x2dx
上の二つの式を足して半分にする。対数の性質と偶関数の性質対数の性質半角の公式対数の性質∫04lnx4x−x2dx=∫04lnx4−(x−2)2dx=∫−π2π2ln(2sinθ+2)4−4sin2θ⋅2cosθdθx−2↦2sinθ=∫−π2π2ln(2sinθ+2)2cosθ⋅2cosθdθ∵1−sin2θ=cosθ(−π2≤θ≤π2)=∫−π2π2ln(2sinθ+2)dθ=∫−π2π2ln2dθ+∫−π2π2ln(1+sinθ)dθ=πln2+∫−π2π2ln(1+sinθ)dθ=πln2+∫−π2π2ln(1−sinθ)dθθ↦−θKing Property=12(2πln2+∫−π2π2ln(1+sinθ)+ln(1−sinθ)dθ)∵上の二つの式を足して半分にする。=πln2+12∫−π2π2ln(1−sin2θ)dθ=πln2+2∫0π2ln(cosθ)dθ∵対数の性質と偶関数の性質=πln2+∫0π2ln(cosθ)dθ+∫0π2ln(cosθ)dθ=πln2+∫0π2ln(sinθ)dθ+∫0π2ln(cosθ)dθθ↦π2−θKing Property=πln2+∫0π2ln(sinθcosθ)dθ∵対数の性質=πln2+∫0π2ln(sin2θ2)dθ∵半角の公式=πln2+∫0π2ln(sin2θ)dθ−∫0π2ln2dθ∵対数の性質=π2ln2+12∫0πln(sint)dt2θ↦t=π2ln2+12(∫0π2ln(sint)dt+∫π2πln(sint)dt)=π2ln2+12(∫0π2ln(sint)dt+∫π20ln(sin(π−t))(−dt))t↦π−t=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、∫04lnx4x−x2dx=0と計算できました。
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