Lemma 2.1. n∈Z≥0,α>0,β≥0,0≤x<1に対して
[2.1.1] ∫0xtn−1+α(1−t)−1+βdt=(α)n(1−x)β(α+β)n∑n≤m(α+β)mxm+α(α)m(m+α)
[2.1.2] ∫0xtn+α(1−t)−1+βdt=α+nα+β+n(α)n(1−x)β(α+β)n∑n<m(α+β)mxm+α(α)m(m+α) Proof.
In=∫0xtn−1+α(1−t)−1+βdt とおく。
In−1−In=∫0xtn−2+α(1−t)βdt=[tn−1+α(1−t)βn−1+α]0x+βn−1+α∫0xtn−1+α(1−t)−1+βdt=xn−1+α(1−x)βn−1+α+βn−1+αIn 整理して,
n−1+α+βn−1+αIn=−xn−1+α(1−x)βn−1+α+In−1 これより
(α+β)n(α)nIn=I0−(1−x)β∑m=0n−1(α+β)mxm+α(α)m(m+α)=xαα2F1[α,1−β1+α;x]−(1−x)β∑m=0n−1(α+β)mxm+α(α)m(m+α)=(1−x)β∑n≤m(α+β)mxm+α(α)m(m+α)◻
Corollary 2.1.
[2.2] ∫0xtn−1+α1−tlnj1tdt=∑k=0jj!k!lnk1x∑n≤mxm+α(m+α)j−k+1
Proof. [2.1.1]において,β=0とし,αについてj回微分すればよい。◻
Definition.
∫abf1′(t)∘f2(t)∘⋯∘fn(t)=∫ab(f1(t)−f1(a))f2(t)∘⋯∘fn(t)=∫a<t1<⋯<tn<bf1′(t1)f2(t2)⋯fn(tn)dt1⋯dtn
∫abf(t)∘g(t)∘⋯∘g(t)⏟r∘h(t)=∫abf(t)(∘g(t))r∘h(t)
∫abf(t)(∫atg1(u)∘⋯∘gn(u))dt=∫abg1(t)∘⋯∘gn(t)∘f(t)
[2.3.1] ∫0xtn−1+α(1−t)−1+β(∘1t(1−t))a−1=(α)n(α+β)n∑n≤n1≤⋯≤naxna+α(1−x)β(n1+α)⋯(na+α)(α+β)na(α)na
[2.3.2] ∫0xtn−1+α(1−t)−1+β(∘11−t)a−1=(α)n(α+β)n∑n≤n1<⋯<naxna+α(1−x)β(n1+α+β)⋯(na−1+α+β)(na+α)(α+β)na(α)na
Proof. aに関する数学的帰納法により容易にわかる。◻
Corollary 2.2. 0≤x<1に対して
[2.4.1] ∫0xtn−11−tdt=∑n<mxmm
[2.4.2] ∫0xtn1−tdt=∑n≤mxmm
[2.4.3] ∫0xtn−121−tdt=∑n<mxm−12m−12=∑n≤mxm+12m+12
[2.4.4] ∫0xtn+121−tdt=∑n<mxm+12m+12
[2.4.5] ∫0xtn−11−tdt=1nCn∑n≤mCmxm1−x
[2.4.6] ∫0xtn1−tdt=1(n+12)Cn∑n<mCmxm1−x
[2.4.7] ∫0xtn−121−tdt=Cn∑n<mxm−121−xmCm=Cn∑n≤mxm+121−x(m+12)Cm
[2.4.8] ∫0xtn+121−tdt=Cn+1∑n<mxm+121−x(m+12)Cm
Proof. いずれもLemma 2.1の特殊な場合である。適当なα, βを代入すればよい。◻
Theorem 2.1. n∈Z≥0,a∈Z>0に対して
[2.5.1] ∫0xt2n(sin−1x−sin−1t)2a−11−t2dt=(2a−1)!Cn∑n<n1<⋯<nax2na(2n1)2⋯(2na)2Cna
[2.5.2] ∫0xt2n(sin−1x−sin−1t)2a−21−t2dt=(2a−2)!Cn∑n<n1<⋯<nax2na−11−x2(2n1)2⋯(2na−1)2(2na)Cna
[2.5.3] ∫0xt2n+1(sin−1x−sin−1t)2a−11−t2dt=(2a−1)!(2n+1)Cn∑n<n1<⋯<naCnax2na+1(2n1+1)2⋯(2na−1+1)2(2na+1)
[2.5.4] ∫0xt2n+1(sin−1x−sin−1t)2a−21−t2dt=(2a−2)!(2n+1)Cn∑n<n1<⋯<naCnax2na1−x2(2n1+1)2⋯(2na−1+1)2
Proof. いずれも計算の原理は同じなので,ここでは[2.5.1]のみ証明する。
∫0xt2n1−t2(∘11−t2)2a−1=Cn∑n<n112n1Cn1∫0xt2n1−11−t21−t2(∘11−t2)2a−2=Cn∑n<n11(2n1)2Cn1∫0xt2n11−t2(∘11−t2)2a−3=Cn∑n<n1<n2Cn1(2n1)2Cn1(2n2)∫0xt2n2−11−t21−t2(∘11−t2)2a−4=Cn∑n<n1<n21(2n1)2(2n2)2∫0xt2n21−t2(∘11−t2)2a−5=⋯=Cn∑n<n1<⋯<nax2na(2n1)2⋯(2na)2Cna
∫0xt2n1−t2(∘11−t2)2a−1=11!∫0xt2n(sin−1x−sin−1t)1−t2(∘11−t2)2a−2=12!∫0xt2n(sin−1x−sin−1t)21−t2(∘11−t2)2a−3=⋯=1(2a−1)!∫0xt2n(sin−1x−sin−1t)2a−11−t2dt◻
Theorem 2.2.
[2.6] 1(2a−1)!(2b)!∫0x(x−t)2btant∫0t(t−u)2a−1(sin−1u)2ndudt=Cn∑n<m1<⋯<ma<n1<⋯<nbsin2nbx(2m1)2⋯(2ma−1)2(2na)3(2n1)2⋯(2nb)2Cnb Proof.
∫0xt2n1−t2(∘11−t2)2a−1∘1t(∘11−t2)2b=Cn∑n<m1<⋯<ma1(2m1)2⋯(2ma)2Cma∫0xt2mat(∘11−t2)2b=Cn∑n<m1<⋯<ma1(2m1)2⋯(2ma−1)2(2ma)3Cma∫0xt2ma1−t2(∘11−t2)2b−1 =Cn∑n<m1<⋯<ma<n1<⋯<nbx2nb(2m1)2⋯(2ma−1)2(2na)3(2n1)2⋯(2nb)2Cnb
∫0xt2n1−t2(∘11−t2)2a−1∘1t(∘11−t2)2b=∫0x11−s2(∘11−s2)2b−1∫0s1t∫0tu2n1−u2(∘11−u2)2a−1=1(2b−1)!(2a−1)!∫0x(sin−1x−sin−1s)2b−11−s2∫0s1t∫0tu2n(sin−1t−sin−1u)2a−11−u2dudtds =1(2a−1)!(2b)!∫0x(sin−1x−sin−1t)2bt∫0tu2n(sin−1t−sin−1u)2a−11−u2dudt
あとはxをsinxに置き換えればよい。◻
SnC(k)=∑0<n1<⋯<nr≤n(2n)−kCnr−1
SnD(k)=∑0≤n1<⋯<nr≤n(2n+1)−kCnr
SnC(k;x)=∑0<n1<⋯<nr≤n(2n)−kCnr−1sin2nrx
SnD(k;x)=∑0≤n1<⋯<nr≤n(2n+1)−kCnrsin2nr+1x
Theorem 2.3.
[2.7] S∞C({2}a−1,3,{2}b;x)=1(2a)!(2b)!∫0xt2a(x−t)2btantdt
Proof. [2.6]において,n=0とすればよい。◻
Corollary 2.3.
[2.8] S∞C({2}a−1,3,{2}b)=1(2a)!(2b)!∫0π2t2a(π2−t)2btantdt
Proof. [2.7]において,x=π2とすればよい。◻
Theorem 2.4.
[2.9] S∞D({2}a−1,3,{2}b−1,1;x)=1(2a−1)!(2b)!∫0xt2a−1(x−t)2btantdt
Proof. [2.5.3]について,Theorem 2.2,2.3と同様にすればよい。◻
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