Chat-GPTに「もっと難しい定積分の問題作って」と入力して出てきた 問題 を解いたときのメモです。
∫01x2ln2(x)(1−x2)2dx=18(π2−7ζ(3))
今回解くのに使う道具をまとめときます。
x2(1−x2)2=14(1(x−1)2+1(x+1)2+1x−1−1x+1)∫01ln2(x)xndx=2(n+1)3
上の部分分数分解をしてから下の式でそれぞれ処理していきます。
∫01x2ln2(x)(1−x2)2dx=14∫01ln2(x)(1(x−1)2+1(x+1)2+1x−1−1x+1)dx=14(∫01ln2(x)(x−1)2dx+∫01ln2(x)(x+1)2dx+∫01ln2(x)x−1dx−∫01ln2(x)x+1dx)∫01ln2(x)(x−1)2dx=∫01ln2(x)(1+x+x2+⋯)(1+x+x2+⋯)dx=∫01ln2(x)∑n=0∞(n+1)xndx=∑n=0∞∫01(n+1)ln2(x)xndx=∑n=0∞2(n+1)(n+1)3=2ζ(2)=π23
∫01ln2(x)(x+1)2dx=∫01ln2(x)∑n=0∞(n+1)(−1)nxndx=∑n=0∞2(n+1)(−1)n(n+1)3=2∑n=0∞1(n+1)2−4∑n=1∞1(2n)2=2ζ(2)−ζ(2)=π26
∫01ln2(x)x−1dx=−∫01ln2(x)∑n=0∞xndx=−∑n=0∞2(n+1)3=−2ζ(3)
∫01ln2(x)x+1dx=∫01ln2(x)∑n=0∞(−1)nxndx=∑n=0∞2(−1)n(n+1)3=2∑n=0∞1(n+1)3−4∑n=1∞1(2n)3=2ζ(3)−12ζ(3)=32ζ(3)
∴∫01x2ln2(x)(1−x2)2dx=14(π23+π26−2ζ(3)−32ζ(3))=18(π2−7ζ(3))
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