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!)