こんにちは。花粉のおかげで目を捨てたい今日この頃、その気を紛らわすためにMathlogを書きます。
ここで解説するのは自力で解けた中で一番時間がかかった積分です。解けた後オプチャで
「フーリエ級数展開したら一瞬やで」
という言葉をいただきましたが、耳はすでに捨てたので知りません。やっていきましょう!
$\displaystyle{I=\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}x\tan{x}dx=\frac{1}{2}\beta(2)-\frac{\pi}{8}\ln{2}} $
ただし、$\beta(s)$はディリクレベータ関数である。
ディリクレベータ関数の積分表示が鍵なので、ここに記します。
実部が0より大きい複素数$s$について
$\displaystyle{\beta(s)=\frac{1}{\Gamma(s)}\int_{0}^{\infty}\frac{x^{s-1}e^{-x}}{1+e^{-2x}}dx}$
この記事を書いている人がまだ一様収束とかをあまり理解していないため、シグマとインテグラルを無言で入れ替えます。ごめんなさい。(一応、$\overset{!}{=}$で知らせています。)
\begin{align*}
\int_{0}^{\infty}\frac{x^{s-1}e^{-x}}{1+e^{-2x}}dx&=\int_{0}^{\infty}x^{s-1}e^{-x}\sum_{k=0}^{\infty}\left(-e^{-2x}\right)^kdx\\
&\overset{!}{=}\sum_{k=0}^{\infty}(-1)^k\int_{0}^{\infty}x^{s-1}e^{-x(2k+1)}dx\\
&=\sum_{k=0}^{\infty}(-1)^{k}\int_{0}^{\infty}u^{s-1}e^{-u}\frac{1}{(2k+1)^s}du\\
&=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{(-1)^k}{(2k+1)^s}\int_{0}^{\infty}u^{s-1}e^{-u}du\\
&=\Gamma(s)\beta(s)\\
\therefore \beta(s)&=\frac{1}{\Gamma(s)}\int_{0}^{\infty}\frac{x^{s-1}e^{-x}}{1+e^{-2x}}dx
\end{align*}
また、今回用いる積分値の補題を証明しておきましょう。
$\displaystyle{J_1=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\sin{x})dx=-\frac{\pi}{2}\ln{2}}$
\begin{align*} J_1&=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\sin{x})dx\\ &=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\cos{x})dx\quad \because \mathrm{king\:property}\\ 2J_1&=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\sin{x})dx+\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\cos{x})dx\\ J_1&=\frac{1}{2}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\sin{x}\cos{x})dx\\ &=\frac{1}{2}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln\left(\frac{1}{2}\sin{2x}\right)dx\\ &=-\frac{1}{2}\ln{2}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}dx+\frac{1}{2}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\sin{2x})dx\\ &=-\frac{\pi}{4}\ln{2}+\frac{1}{4}\int_{0}^{\pi}\ln(\sin{t})dt\quad\because 2x=t\\ &=-\frac{\pi}{4}\ln{2}+\frac{1}{4}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\sin{t})dt+\frac{1}{4}\int_{\frac{\pi}{2}}^{\pi}\ln(\sin{t})dt\\ &=-\frac{\pi}{4}\ln{2}+\frac{1}{4}J_1+\frac{1}{4}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\cos{u})du\quad\because t-\frac{\pi}{2}=u\\ &=-\frac{\pi}{4}\ln{2}+\frac{1}{2}J_1\\ \therefore J_1&=-\frac{\pi}{2}\ln{2} \end{align*}
$\displaystyle{J_2=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\tan{x})dx=0}$
\begin{align*} J_2&=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\tan{x})dx\\ &=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\sin{x})dx-\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\cos{x})dx\\ &=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\sin{x})dx-\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\sin{x})dx\quad\because \mathrm{king\:property}\\ &=0 \end{align*}
では、補題も示せたことだし、実際に命題を証明しましょう!
\begin{align*}
I&=\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}x\tan{x}dx\\
&=\left[-x\ln(\cos{x})\right]_{0}^{\frac{\pi}{4}}+\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}\ln(\cos{x})dx\\
&=\frac{\pi}{8}\ln{2}+I'\\
I'&=\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}\ln(\cos{x})dx\\
&=\frac{1}{2}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln\left(\cos{\frac{t}{2}}\right)dt\quad\because 2x=t\\
&=\frac{1}{4}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln\left(\frac{\cos{t}+1}{2}\right)dt\\
&=-\frac{1}{4}\ln{2}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}dt+\frac{1}{4}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\cos{t}+1)dt\\
&=-\frac{\pi}{8}\ln{2}+\frac{1}{4}\int_{0}^{1}\ln\left(\frac{1-y^2}{1+y^2}+1\right)\frac{2}{1+y^2}dy\quad \because y=\tan\frac{t}{2}\\
&=-\frac{\pi}{8}\ln{2}+\frac{1}{2}\int_{0}^{1}\ln\left(\frac{2}{1+y^2}\right)\frac{1}{1+y^2}dy\\
&=-\frac{\pi}{8}\ln{2}+\frac{1}{2}\ln{2}\int_{0}^{1}\frac{1}{1+y^2}dy-\frac{1}{2}\int_{0}^{1}\frac{1}{1+y^2}\ln(1+y^2)dy\\
&=-\frac{1}{2}\int_{1}^{\infty}\frac{1}{1+u^2}\ln\left(\frac{1+u^2}{u^2}\right)du\quad\because y=\frac{1}{u}\\
&=-\frac{1}{2}\int_{1}^{\infty}\frac{1}{1+u^2}\ln(1+u^2)du+\int_{1}^{\infty}\frac{1}{1+u^2}\ln{u}du
\end{align*}
すこし紛らわしくなるので、積分を分けます。
\begin{align*}
I_1&=\int_{1}^{\infty}\frac{1}{1+u^2}\ln(1+u^2)du\\
I_2&=\int_{1}^{\infty}\frac{1}{1+u^2}\ln{u}du
\end{align*}
つまり、
\begin{align*}
I'&=-\frac{1}{2}I_{1}+I_{2}
\end{align*}
では$I_1$から計算しましょう。
\begin{align*}
I_1&=\int_{1}^{\infty}\frac{1}{1+x^2}\ln(1+x^2)dx\\
&=\int_{0}^{\infty}\frac{1}{1+x^2}\ln(1+x^2)dx-\int_{0}^{1}\frac{1}{1+x^2}\ln(1+x^2)dx\\
&=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln\left(\frac{1}{\cos^2{t}}\right)dt+2\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}\ln(\cos{t})dt\quad \because x=\tan{t}\\
&=-2\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\cos{t})dt+2I'\\
&=-2J_1+2I'\\
&=\pi\ln{2}+2I'\\
\\
I_2&=\int_{1}^{\infty}\frac{1}{1+x^2}\ln{x}dx\\
&=\int_{0}^{\infty}\frac{1}{1+x^2}\ln{x}dx-\int_{0}^{1}\frac{1}{1+x^2}\ln{x}dx\\
&=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\ln(\tan{u})du+\int_{0}^{\infty}\frac{ue^{-u}}{1+e^{-2u}}du\quad\because x=\tan{u} と \ln{x}=-u\\
&=J_2+\int_{0}^{\infty}\frac{u^{2-1}e^{-u}}{1+e^{-2u}}du\\
&=\Gamma(2)\beta(2)\\
&=\beta(2)
\end{align*}
以上より、(必死)
\begin{align*}
I'&=-\frac{1}{2}I_1+I_2\\
&=-\frac{\pi}{2}\ln{2}-I'+\beta(2)\\
I'&=-\frac{\pi}{4}\ln{2}+\frac{1}{2}\beta(2)
\end{align*}
よって(大声)
\begin{align*}
I&=\frac{\pi}{8}\ln{2}+I'\\
&=\frac{1}{2}\beta(2)-\frac{\pi}{8}\ln{2}
\end{align*}
長かった!!補題とかの証明で無駄に長くなっちゃいました()
実はこの問題、自分の高校受験に向けた正月特訓の隙間時間に思い付いた問題で、冬休みの三日間くらいをこれに費やし、式をこねた末に完成した解法です。個人的には途中の$\displaystyle{y=\frac{1}{u}}$の置換をしてから区間を伸ばす方法を思いついたのが天才だなと自画自賛してます。
次回、$\displaystyle{\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}x^2\tan{x}}dx$を解きます。お楽しみに~。ほなさいなら!