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logがある積分の解法まとめ

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logがある積分の解法について

どうも、らららです。
今回はlogがある積分の解法についてまとめてみました。
わたしが知ってるlogがある積分はわたしが知る限りは5つあって、部分積分,置換積分,級数展開,微分,留数定理の5つです。
それぞれ書いていきます。

部分積分

ddxlogx=1xと部分積分を使って積分が解けることがあります。

f(x)g(x)dx=f(x)G(x)f(x)G(x)dx
logxfの方にすればlogx1xになって解けることがあります。

I=01xlogxdx=[x22logx]011201xdx=12limx0x2logx14=14
limx0x2logx=limx0logx1x2=limx01x2x3=12limx0x2=0

こんな感じで部分積分で解けることがあったりします。
極限でもlogxの微分が1xであることを使ってますね。

置換積分

logx=tで置換することで解けることがあります。
逆関数はet=xです。
dxdtの関係はdt=dxxです。
もしくはdx=et dtです。

I=1elogxxdx=01t dt(logxt)=1

とりあえず分母にxがあればlogx=tで置換していいと思います。
あとはKingPropertyを使う方法もあったりします。
この記事 KingPropertyを使う積分を解いています。

級数展開

書きたいのはここからです。
級数展開をして積分と級数を交換して積分を解けることがあります。
わたしが知っているlog関連の級数展開をまとめてみます。

log(1x)=n=1xnn(|x|<1)
log(1+x)=n=1(1)n xnn(|x|<1)
log(2sinx2)=n=1cosnxn(0<x<π2)
log(2cosx2)=n=1(1)n cosnxn(0<x<π2)
logtanx2=2n=1cos(2n+1)x2n+1(0<x<π2)

級数展開を使って解いて見ましょう。

I=01log(1+x)xdx=01n=1(1)n xnn xdx=n=1(1)nn01xn12 dx=2n=1(1)nn(2n+1)=2(n=1(1)nn2n=1(1)n2n+1)=2(log2+π22)=2log2π+4

普通に部分積分でも解けます。

I=0π2log(2sinx2)log(2cosx2)dx=120πlog(2sinx2)log(2cosx2)dx=12n,m>0(1)nnm0πcosmxcosnxdx=π4n=1(1)nn2=π348

雑ですが許してください。
前の記事 で別の方法で解いてます。

微分

ddsxs=xslogxを使って積分が解けることがあります。

I=0exlogxdx=dds0xsexdx|s=1=Γ(1)=Γ(1)ψ(1)=γ

微分と積分の交換を使いました。

I=01x2xlogxdx
f(t)=01xtlogx
f(t)=01xt=1t+1
f(2)f(1)=12f(t)dt=121t+1dt=log32

この解法、かなり好きです。

複素積分

複素積分で解けることがあったりする。
わたしが書いてる複素積分の2つの記事はどっちもlogがあるのでそちらもみてほしい。( これ これ )
被積分関数にlogxだったらバームクーヘンのような経路で解いていくことが多い気がします。
バームクーヘンのような経路は前の記事でやっている。

I=0xlogxx4+1dx
f(z)=zlogzz4+1
積分経路 積分経路
log0を回避するために0は避けています。
C2,C4は評価して極限とばすと0になります。
確認してみてください。
全体の積分をCとしておきます。
それぞれ計算していきます。

C1=εRf(z)dz=I(ε0,R)
C3=iRiεf(z)dz=iεRf(ix)dx=εRxlogixx4+1dx=εRxlogxx4+1dx+iπ2εRxx4+1dx=I+π28i(ε0,R)
C=2πiResz=eiπ4zlogzz4+1=2πilimzeiπ4zlogz(zeiπ4)z4+1=2πilimzeiπ4(2zeiπ4)logzeiπ4+z4z3=π28i
C=C1+C2+C3+C4
π28i=I+I+π28i
I=0

微分を使っても解けます。
被積分関数のlogxの指数に1を足してf(z)を設定することもあります。

おしまーい

投稿日:20231010
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ららら
ららら
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適当に書きたいことを書きます。

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