三角関数と無理関数の合わさった積分(東大院2021より)

問題(東大数学科院試 2021より)

p>12p > \dfrac{1}{2} に対して,次の値を求めよ。

1Γ(12p)∫0∞sin⁡(xp)xdx \dfrac{1}{\Gamma (\frac{1}{2p})} \int_{0}^{\infty} \dfrac{\sin (x^p)}{\sqrt{x}} dx

ただし,正の実数 xx に対して,Γ(x)\Gamma (x) は次式で与えられるものとする。 Γ(x)=∫0∞tx−1e−tdt \Gamma (x) = \int_0^{\infty} t^{x-1} e^{-t} dt

この記事では東京大学数学科の院試の問題を解説します。

ガンマ関数と複素関数論の練習問題になります。

解答

ステップ1:変数の置換

xp=tx^p = t と置換すると pxp−1dx=dtp x^{p-1} dx = dt,dx=t1−pppdtdx = \dfrac{t^{\frac{1-p}{p}}}{p} dt となる。

∫0∞sin⁡(xp)xdx=∫0∞sin⁡tt12pt1−pppdt=1p∫0∞sin⁡t⋅t12p−1dt\begin{aligned} \int_0^{\infty} \dfrac{\sin (x^p)}{\sqrt{x}} dx &= \int_0^{\infty} \dfrac{\sin t}{t^{\frac{1}{2p}}} \dfrac{t^{\frac{1-p}{p}}}{p} dt\\ &= \dfrac{1}{p} \int_0^{\infty} \sin t \cdot t^{\frac{1}{2p}-1} dt \end{aligned}

ここで Γ(12p)=∫0∞t12p−1e−tdt \Gamma \left( \dfrac{1}{2p} \right) = \int_0^{\infty} t^{\frac{1}{2p} -1} e^{-t} dt であることを踏まえると,ステップ1の最後の sin⁡t\sin t を e−te^{-t} にできればよさそうです。

これには オイラーの等式 eit=cos⁡t+isin⁡te^{it} = \cos t + i \sin t を用いましょう。

ステップ2:複素関数の世界へ

ステップ1の計算より求める積分は 1pΓ(12p)∫0∞t12p−1eitdt \dfrac{1}{p\Gamma (\frac{1}{2p})} \int_0^{\infty} t^{\frac{1}{2p}-1} e^{it} dt の虚部である。

上式は t=ist =is とおきなおすことで 1pΓ(12p)∫0i∞i12ps12p−1e−sds \dfrac{1}{p\Gamma (\frac{1}{2p})} \int_0^{i\infty} i^{\frac{1}{2p}} s^{\frac{1}{2p}-1} e^{-s} ds となる。

i12p=(cos⁡π2+isin⁡π2)12p=cos⁡π4p+isin⁡π4p\begin{aligned} i^{\frac{1}{2p}} &= \left( \cos \dfrac{\pi}{2} + i \sin \dfrac{\pi}{2} \right)^{\frac{1}{2p}}\\ &= \cos \dfrac{\pi}{4p} + i \sin \dfrac{\pi}{4p} \end{aligned} であることに注目すると,上式の虚部は 1Γ(12p)∫0∞sin⁡(xp)xdx=1pΓ(12p)sin⁡π4p∫0i∞s12p−1e−sds\begin{aligned} &\dfrac{1}{\Gamma (\frac{1}{2p})} \int_{0}^{\infty} \dfrac{\sin (x^p)}{\sqrt{x}} dx\\ &= \dfrac{1}{p\Gamma (\frac{1}{2p})} \sin \dfrac{\pi}{4p}\int_0^{i\infty}s^{\frac{1}{2p}-1} e^{-s} ds \end{aligned} である。

あとは, ∫0i∞s12p−1e−sds \int_0^{i\infty}s^{\frac{1}{2p}-1} e^{-s} ds を計算すればよい。

さてこの積分はどのように計算したらよいでしょうか?

Γ(12p)\Gamma \left( \dfrac{1}{2p} \right) なのだろうと予想はつきますね。

被積分関数は正則関数です。そのため コーシーの積分定理 から,閉曲線上の複素積分は 00 になります。

留数定理を用いた積分と類似のアイデアで計算をします。

ステップ3:コーシーの積分定理の利用

積分路を次のようにとる。

pic01

このとき求めたい積分は −lim⁡R→∞∫C3z12p−1e−zdz -\lim_{R \to \infty} \int_{C_3} z^{\frac{1}{2p}-1} e^{-z} dz である。

C=C1+C2+C3C = C_1 + C_2 + C_3 とおく。

CC の内部で z12p−1e−zz^{\frac{1}{2p}-1} e^{-z} は正則であるため,コーシーの積分定理から ∮Cz12p−1e−zdz=0 \oint_C z^{\frac{1}{2p}-1} e^{-z} dz = 0 である。

ゆえに −∫C3z12p−1e−zdz=∫C1z12p−1e−zdz+∫C2z12p−1e−zdz\begin{aligned} &- \int_{C_3} z^{\frac{1}{2p}-1} e^{-z} dz\\ &= \int_{C_1} z^{\frac{1}{2p}-1} e^{-z} dz + \int_{C_2} z^{\frac{1}{2p}-1} e^{-z} dz \end{aligned} を得る。

  • C1C_1 での積分 lim⁡R→∞∫C1z12p−1e−zdz=∫0∞z12p−1e−zdz=Γ(12p)\begin{aligned} \lim_{R \to \infty} \int_{C_1} z^{\frac{1}{2p}-1} e^{-z} dz &= \int_{0}^{\infty} z^{\frac{1}{2p}-1} e^{-z} dz\\ &= \Gamma \left( \dfrac{1}{2p} \right) \end{aligned}

  • C2C_2 での積分 ∣∫C2z12p−1e−zdz∣≦∫C2∣z12p−1e−z∣dz \left| \int_{C_2} z^{\frac{1}{2p}-1} e^{-z} dz \right| \leqq \int_{C_2} \left| z^{\frac{1}{2p}-1} e^{-z} \right| dz z=Reiθz = R e^{i\theta} とおくと, ∫C2∣z12p−1e−z∣dz=∫0π2∣R12p−1e(12p−1)iθe−Rcos⁡θ−iRsin⁡θ∣dθ=∫0π2R12p−1e−Rcos⁡θdθ=π2R12p−1e−Rcos⁡θ\begin{aligned} &\int_{C_2} \left| z^{\frac{1}{2p}-1} e^{-z} \right| dz\\ &= \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \left| R^{\frac{1}{2p}-1} e^{\left( \frac{1}{2p}-1 \right) i \theta} e^{-R\cos \theta - iR\sin \theta} \right| d\theta\\ &= \int_0^{\frac{\pi}{2}} R^{\frac{1}{2p}-1} e^{-R\cos \theta} d\theta\\ &= \dfrac{\pi}{2} R^{\frac{1}{2p}-1} e^{-R\cos \theta} \end{aligned} となる。p>12p > \dfrac{1}{2} より 0<12p−1<10 < \dfrac{1}{2p} - 1 < 1 であるため lim⁡R→∞R12p−1=0lim⁡R→∞e−Rcos⁡θ=0 \lim_{R \to \infty} R^{\frac{1}{2p}-1} = 0 \\ \lim_{R \to \infty} e^{-R\cos \theta} = 0 となる。よって lim⁡R→∞∫C2z12p−1e−zdz=0 \lim_{R \to \infty} \int_{C_2} z^{\frac{1}{2p}-1} e^{-z} dz = 0 である。

以上より ∫0i∞s12p−1e−sdt=lim⁡R→∞(∫C1z12p−1e−zdz+∫C2z12p−1e−zdz)=Γ(12p)+0\begin{aligned} &\int_0^{i\infty}s^{\frac{1}{2p}-1} e^{-s} dt \\ &= \lim_{R \to \infty} \left( \int_{C_1} z^{\frac{1}{2p}-1} e^{-z} dz + \int_{C_2} z^{\frac{1}{2p}-1} e^{-z} dz \right)\\ &= \Gamma \left( \dfrac{1}{2p} \right) + 0 \end{aligned} となる。

こうして 1Γ(12p)∫0∞sin⁡(xp)xdx=1pΓ(12p)sin⁡π4p∫0i∞s12p−1e−sds=1pΓ(12p)sin⁡π4pΓ(12p)=1psin⁡π4p\begin{aligned} &\dfrac{1}{\Gamma (\frac{1}{2p})} \int_{0}^{\infty} \dfrac{\sin (x^p)}{\sqrt{x}} dx\\ &= \dfrac{1}{p \Gamma (\frac{1}{2p})} \sin \dfrac{\pi}{4p} \int_0^{i\infty}s^{\frac{1}{2p}-1} e^{-s} ds\\ &= \dfrac{1}{p \Gamma (\frac{1}{2p})} \sin \dfrac{\pi}{4p} \Gamma \left( \dfrac{1}{2p} \right)\\ &= \dfrac{1}{p} \sin \dfrac{\pi}{4p} \end{aligned} となる。

ガンマ関数の登場がいい具合のヒントになっていますね。