・定積分の計算                           GAI 氏

 次の定積分を計算せよ。

[1] ∫[1/π,1/2]log([1/x])dx    ただし、[x]はガウス記号

[2] ∫[0,π]sin(2019*x)/sin(x)dx

[3] ∫[e^(π/6),e^(π/3)]sin(log(x))dx

[4] ∫[0,π/2]log(sin(x))dx


(コメント) パッと見て計算してみようと思い立つのは、[3]と[4]くらいかな?

([3]の解)

∫[e^(π/6),e^(π/3)]sin(log(x))dx

=[x・sin(log(x))]e^(π/6) e^(π/3)−∫[e^(π/6),e^(π/3)]cos(log(x))dx

=(/2)e^(π/3)−(1/2)e^(π/6)−∫[e^(π/6),e^(π/3)]cos(log(x))dx

 ここで、

∫[e^(π/6),e^(π/3)]cos(log(x))dx

=[x・cos(log(x))]e^(π/6) e^(π/3)+∫[e^(π/6),e^(π/3)]sin(log(x))dx

=(1/2)e^(π/3)−(/2)e^(π/6)+∫[e^(π/6),e^(π/3)]sin(log(x))dx

 よって、

∫[e^(π/6),e^(π/3)]sin(log(x))dx

={(−1)/2}{e^(π/3)+e^(π/6)}−∫[e^(π/6),e^(π/3)]sin(log(x))dx

から、 ∫[e^(π/6),e^(π/3)]sin(log(x))dx={(−1)/4}{e^(π/3)+e^(π/6)}


([4]の解) 厳密には、定積分が収束することを示す必要があるのかな?

 (2/π)x≦sin(x)≦x より、 log((2/π)x)≦log(sin(x))≦log(x)

 ここで、∫[ε,π/2]log(x)dx=[xlog(x)−x]επ/2=(π/2)log(π/2)−π/2−εlog(ε)−ε

 ε→0 のとき、 εlog(ε)→0 なので、∫[0,π/2]log(x)dx は収束する。

 同様に、∫[0,π/2]log((2/π)x)dx も収束するので、∫[0,π/2]log(sin(x))dxは収束する。

 x=2θとおくと、 dx=2dθ で、

 ∫[0,π/2]log(sin(x))dx

=2∫[0,π/4]log(sin(2θ))dθ

=2(∫[0,π/4]log 2 dθ+∫[0,π/4]log(sin(θ))dθ+∫[0,π/4]log(cos(θ))dθ)

=(π/2)log 2+2(∫[0,π/4]log(sin(θ))dθ+∫[0,π/4]log(cos(θ))dθ)

 ∫[0,π/4]log(cos(θ))dθ において、θ=π/2−τ とおくと、 dθ=−dτ なので、

 ∫[0,π/4]log(cos(θ))dθ=−∫[π/2,π/4]log(sin(τ))dτ=∫[π/4,π/2]log(sin(τ))dτ

よって、

 ∫[0,π/4]log(sin(θ))dθ+∫[0,π/4]log(cos(θ))dθ

=∫[0,π/4]log(sin(θ))dθ+∫[π/4,π/2]log(sin(τ))dτ

=∫[0,π/4]log(sin(θ))dθ+∫[π/4,π/2]log(sin(θ))dθ

=∫[0,π/2]log(sin(θ))dθ=∫[0,π/2]log(sin(x))dx

なので、 ∫[0,π/2]log(sin(x))dx=(π/2)log 2+2∫[0,π/2]log(sin(x))dx

 したがって、 ∫[0,π/2]log(sin(x))dx=−(π/2)log 2


 GAI さんからのコメントです。(平成30年12月29日付け)

 [2]では、 sin((2*n+1)*x)/sin(x)=1+2*Σ[k=1,n]cos(2*k*x) が一般に成立することが面白
かったので出題しました。他に、

 sin(2*n*x)/sin(x)=2*Σ[k=1,n]cos((2*k-1)*x)

 cos((2*n+1)*x)/cos(x)=(-1)^n*(1+2*Σ[k=1,n](-1)^k*cos(2*k*x))

の関係が成立していけそうです。


(コメント) なるほど!sin((2*n+1)*x)/sin(x)=1+2*Σ[k=1,n]cos(2*k*x) が成り立つのか!

 実際に、

 2Σ[k=1,n]cos(2kx)sin(x)=Σ[k=1,n](sin(2k+1)x−sin(2k+1)x)=sin(2n+1)x−sin(x)

より明らか。この等式を用いると、[2]は、

∫[0,π]sin(2019*x)/sin(x)dx

=∫[0,π](1+2*Σ[k=1,1009]cos(2*k*x))dx

=π+2*Σ[k=1,1009][(1/2*k)sin(2*k*x)]0π

=π (← この結果は、12月28日付けで、S(H)さんが示されていました!)



                         投稿一覧に戻る