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積分bot を解いてみた

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今回解いたのはこれです。

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ζ(3)の無理数倍というなかなか途中過程が想像しにくい値ですが、なんとか自分の力だけで解けたので、(わざわざ記事にする意味があるか謎ですが)つらつら解法を書きます。
I=01xtanh1(x)dx
とする。

I=120tanh2(1/x)dx

I=01xtanh1(x)dx=0tanh(u)ucosh2(u)du(x=tanhuと置換)=1201u(11cosh2(u))du=12[1u(11cosh2(u))]0+1201u2(11cosh2(u))du=120(tanh(u)u)2du=120tanh2(1/x)dx(u=1/xと置換)

tanh2(1/x)=n,m04x2(1+x2π2(n+1/2)2)(1+x2π2(m+1/2)2)

三角関数の部分分数展開 より、
πtanπx=n=02xx2(n+12)2
πxi/xとして整理すると、tan(ix)=itanh(x)より、
tanh(1/x)=n=02x1+x2π2(n+1/2)2
となる。よって、
tanh2(1/x)=tanh(1/x)tanh(1/x)=n,m04x2(1+x2π2(n+1/2)2)(1+x2π2(m+1/2)2)

0dx(x2+a2)(x2+b2)=π21ab(a+b)(a,b>0)

abのとき、
0dx(x2+a2)(x2+b2)=1b2a20(1x2+a21x2+b2)dx=1b2a2[1aarctan(xa)1barctan(xb)]0=1b2a2baabπ2=π21ab(a+b)
また、a=bのときは、
0dx(x2+a2)(x2+b2)=01(x2+a2)2dx=0π2cos4(θ)a4acos2(θ)dθ(x=atanθと置換)=1a30π21+cos(2θ)2dθ=π4a3=π21aa(a+a)
より、a=bでも成立する。

n,m01(n+12)(m+12)(n+m+1)=7ζ(3)

この等式は示すのに多くのステップを要したので、それぞれ補題に分けて証明します。(MZVをしっかりと学んでいる方はもっと簡単に(級数の変形だけで?)示せると思います。私は学んでいないので面倒に導出しました。)

n,m01(n+12)(m+12)(n+m+1)=m=08(2m+1)2(n=0(12n+112n+2m+2))

n,m01(n+12)(m+12)(n+m+1)=n,m08(2n+1)(2m+1)(2n+2m+2)=m=0(82m+1n=01(2n+1)(2n+2m+2))=m=0(8(2m+1)2n=0(12n+112n+2m+2))

m=0(8(2m+1)2n=0(12n+112n+2m+2))=201ln2(1+u1u)udu

m=0(8(2m+1)2n=0(12n+112n+2m+2))=m=08(2m+1)2n=0(01(u2nu2n+2m+1)du)=m=08(2m+1)2011u2m+11u2du=018m=01(2m+1)28m=0u2m+1(2m+1)21u2du=01(π28m=0u2m+1(2m+1)2)(12ln(1+u1u))du=401ln(1+u1u)m=0u2m2m+1du=401ln(1+u1u)1u0u11t2dtdu=201ln2(1+u1u)udu

201ln2(1+u1u)udu=7ζ(3)

201ln2(1+u1u)udu
について、1u1+u=wと置換すると、
u=1w1+wdu=2(1+w)2dw,u:01,w:10
より、
201ln2(1+u1u)udu=210ln2(1/w)1w1+w2(1+w)2dw=401ln2(w)1w2dw=4n=001ln2(w)w2ndw=4n=02(2n+1)3=8(n=11n3n=11(2n)3)=878n=11n3=7ζ(3)

ここまでの定理、補題から表題の等式を証明します。

I=01xtanh1(x)dx=120tanh2(1/x)dx補題1より=0n,m02x2(1+x2π2(n+1/2)2)(1+x2π2(m+1/2)2)補題2より=n,m002x2(1+x2π2(n+1/2)2)(1+x2π2(m+1/2)2)dx=2n,m00du(u2+π2(n+1/2)2)(u2+π2(m+1/2)2)(1/x=uと置換)=2n,m0π21π(n+1/2)π(m+1/2)π(n+m+1)(補題3において、a=π(n+1/2),b=π(m+1/2)とする)=1π2n,m01(n+12)(m+12)(n+m+1)=1π27ζ(3)(補題4より)=7ζ(3)π2

今回と同様な手法で、
0(coth(1/x)x)2dx=4ζ(3)π2
なども導出出来ます。

完走した感想

分母のπ2は、tanhの部分分数展開後に出てくるものだったんですね。
ζ(3)の整数倍に収束する級数がなかなか証明できず、大変でした。級数変形のみによる証明が知りたいところです。
あと、無事東大に受かってました。良かった。

投稿日:17日前
更新日:17日前
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n=1 帰納法の失敗

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