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とある定積分の一般化

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はじめに

こんにちは、
いなばなつき さんの 天才置換を合理的に① の記事を読んでいるときに
0111+x3dx=ln23+π33
を級数を用いて計算する方法を紹介していました。
そこで私は、これは一般の
0111+xndx
に対しても応用できるのではないかと思い、やってみたらnが奇数の場合はうまくいったのでここにまとめようと思います。

この積分を解く

なぜ奇数の場合しかうまくいかないのか

これは少し式変形したら分かります。

0111+xndx=01k=0(1)kxnkdx=k=0(1)knk+1

この後、
k=0(1)knk+1=k=0(1)nk+1nk+1
が成りたつのがnが奇数の時のみであることが理由です。
偶数の場合でも何かアプローチはあるのかもしれませんが、元の記事の方法ではうまくいかなかったので今後はnを奇数として考えます。

計算

ここからはごりごり計算していくだけです。但し、1の原始n乗根のうち、0から2πの間で偏角が最も小さいものをζnと書くことにします。
0111+xndx=k=0(1)nk+1nk+1=1nk=1(1)k(1+ζnk1+(ζnk1)2++(ζnk1)n1)k=1nk=1(1)k(1+ζnnζnk1+ζnnζn2(k1)++ζnnζn(n1)(k1))k=1nk=1(1)k(1+ζnn1ζnk+ζnn2ζn2k++ζnζnk(n1))k=1nk=0n1ζnnkln(1+ζnk)ln(1+x)=k=1(1)kkxk=ln2n+1nk=1n12[ζnkln(1+ζnnk)+ζnnkln(1+ζnk)]=ln2n+1nk=1n12[(cos2kπn+isin2kπn)ln(1+ζnnk)+(cos2kπnisin2kπn)ln(1+ζnk)]=ln2n+1nk=1n12[cos2kπn(ln(1+ζnk)+ln(1+ζnnk))+isin2kπn(ln(1+ζnnk)ln(1+ζnk))]=ln2n+1nk=1n12[cos2kπnln(1+ζnk)(1+ζnk)+isin2kπnln1+ζnnk1+ζnk]=ln2n+1nk=1n12[cos2kπnln(2+ζnk+ζnnk)+isin2kπnln1+cos(2kπ/n)isin(2kπ/n)1+cos(2kπ/n)+isin(2kπ/n)]=ln2n+1nk=1n12[cos2kπnln(2+2cos2kπn)+isin2kπnln1isin(kπ/n)cos(kπ/n)1+isin(kπ/n)cos(kπ/n)]=ln2n+1nk=1n12[cos2kπnln((2coskπn)2)+isin2kπnln1itan(kπ/n)1+itan(kπ/n)]=ln2n+1nk=1n12[2cos2kπnln(2coskπn)+2sin2kπnarctantan(kπ/n)]arctanx=i2ln1ix1+ix=ln2n+2nk=1n12[cos2kπnln(2coskπn)+kπnsin2kπn]
こんな感じで求まりました。nが奇数のとき、下の公式が成り立ちます。

0111+xndx=ln2n+2nk=1n12[cos2kπnln(2coskπn)+kπnsin2kπn]

具体的な結果

n=3のとき

実際に公式1を使って積分を求めましょう。
sin23π=32,cosπ3=12,cos23π=12
であることに注意して、
0111+x3dx=ln23+23k=11[cos2kπ3ln(2coskπ3)+kπ3sin2kπ3]=ln232312ln(212)+23π332=ln23+π33
きちんと求まっていますね。

n=5のとき

sinπ5=sin45π=10254,sin25π=sin35π=10+254
cosπ5=cos45π=1+54,cosπ5=cos45π=1+54
に注意して、
同様に公式1にn=5を代入することで
0111+x5dx=ln25+25k=12[cos2kπ5ln(2coskπ5)+kπ5sin2kπ5]=ln25+25cos2π5ln(2cosπ5)+25π5sin2π5+25cos4π5ln(2cos2π5)+252π5sin4π5=ln25+251+54ln(1+52)+25π510+254251+54ln(1+52)+252π510254=ln25+15(1ϕlnϕϕln1ϕ)+10+2550π+102525π=ln25+lnϕ5+(10+2550+102525)π
ϕは黄金比です。
結構ごちゃっとしていますね。
これを部分分数分解で計算するのは大変そうです。
後半の二つの項の分母の値がずれているのがなんだか気持ち悪くみえますが、これはζnの偏角からきていたずれだと思うと納得がいきます。

n=15のとき

残念ながら、すべての奇数nについてsin(π/n)が簡単にかけるとは限らない(虚数が出てきてしまう場合がある)ので今回はなんとか式の中に虚数単位が出てこないn=15を計算して終わりにしましょう。
公式1に代入してひたすら式を整理するだけなのでそこまで難しいわけではありませんが、実はこの計算がなかなか大変なので、今回は結果だけを書きます。
0111+x15dx=ln215(130+653065)+2lnϕ35+lnϕ30(30+653065)+306530ln(30+651+5)+30+6530ln(3065+1+5)+π103+π60(10+25+1025)
悪魔のようなやつですが、頑張れば求めることができます。
果たしてこれは部分分数分解で解けるのでしょうか?
暇な方は挑戦してみてもいいかもしれません(おすすめはしません)

おわりに

今回は応用のかけらもなさそうな結果になってしまいましたが
楽しんでいただけたでしょうか。

nが偶数の場合の一般化を見つけた人は是非教えてください。
それではまた。

投稿日:20241123
更新日:15
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