0001

1/cos(x)の形の定積分がどうしても合わなくて困っています。具体的には

I=∫0π21cos⁡x2 dx I = \int_{0}^{\dfrac{\pi}{2}} \dfrac{1}{\cos\dfrac{x}{2}} \ dx

を求めたいのですが、1cos⁡x2=cos⁡x21−sin⁡2x2 \dfrac{1}{\cos\dfrac{x}{2}} = \dfrac{\cos\dfrac{x}{2}}{1-\sin^{2}\dfrac{x}{2}} と変形した場合とtan⁡x4=t \tan\dfrac{x}{4} = t と置換した場合とで値が合わなくて困っています。

前者で計算すると2log⁡(2+1) 2\log(\sqrt{2}+1) となり、後者で計算すると2log⁡(2) 2\log(\sqrt{2}) になってしまって合わず、どちらが正解かわからず困っています。

2通りの計算方法で答えが合致することを確認したい(三角関数のまま計算するのとtanに置換して計算するのとで2通り)ので、2通りの方法での計算を回答いただけますでしょうか?

回答 1件

ベストアンサー

sHlcNRe46

前者の解き方は、

I=∫0π21cos⁡x2dx=∫0π2cos⁡x21−sin⁡2x2dx=12∫0π2(cos⁡x21+sin⁡x2+cos⁡x21−sin⁡x2)dx=[log⁡1+sin⁡x21−sin⁡x2]0π2=log⁡2+12−1=2log⁡(2+1)\begin{aligned}I&=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\dfrac{1}{\cos\frac{x}{2}}dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\dfrac{\cos\frac{x}{2}}{1-\sin^2\frac{x}{2}}dx \\&= \dfrac{1}{2}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \Bigl(\dfrac{\cos\frac{x}{2}}{1+\sin{\frac{x}{2}}}+\dfrac{\cos\frac{x}{2}}{1-\sin{\frac{x}{2}}}\Bigr)dx = \biggl[\log\dfrac{1+\sin{\frac{x}{2}}}{1-\sin{\frac{x}{2}}} \biggr]_0^\frac{\pi}{2} \\&= \log\dfrac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}-1} =2\log(\sqrt2+1)\end{aligned}

となります。t=sin⁡x2t=\sin\frac{x}{2} とおいた方が分かりやすいと思います。


後者の解き方は、t=tan⁡x4t=\tan\frac{x}{4} とおくと、

cos⁡x2=1−t21+t2 , dx=41+t2dt , x0→π2t0→2−1\cos\frac{x}{2}=\dfrac{1-t^2}{1+t^2} \ , \ dx=\dfrac{4}{1+t^2}dt \ , \ \begin{array}{c|ccc} x&0&\to&\frac{\pi}{2}\\ \hline t&0&\to&\sqrt2-1\end{array}

より、

I=∫0π21cos⁡x2dx=∫02−141−t2dt=2∫02−1(11+t+11−t)dt=[log⁡1+t1−t]02−1=2log⁡(2+1)\begin{aligned}I&=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\dfrac{1}{\cos\frac{x}{2}}dx = \int_{0}^{\sqrt2-1}\dfrac{4}{1-t^2}dt \\&= 2 \int_{0}^{\sqrt2-1} \Bigl(\dfrac{1}{1+t}+\dfrac{1}{1-t} \Bigr)dt =\biggl[\log{\dfrac{1+t}{1-t}} \biggr]_0 ^ {\sqrt{2}-1} \\&=2\log{(\sqrt{2}+1)}\end{aligned}

となります。

普通の場合と分母が違うため dx=41+t2dtdx=\dfrac{4}{1+t^2}dt であることに要注意です。あとは頑張って計算しましょう。


ワイエルシュトラス置換は大学数学ではたまに出てきますが、高校数学の範囲でこの置換を使わないと解けない問題に遭遇したことはありません(または問題文でこの置換が与えられるかのどちらか)。

前者の方法で解くことを推奨しますが、別の解き方で答えを求めようとする姿勢は素晴らしいと思います。

補足

後者の解法で、積分を実行した直後に係数 22 が抜けています。

  • 0001
    お礼

    大変助かりました。

    半角の公式を誤って適用し、積分範囲が0 0 →2−1\sqrt2 - 1にならなかったのが原因だとわかりました。

    ご回答いただきありがとうございました。

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