atozkoxo

なんとなく聞いてみたくなったのですが、暇な方は以下の問題を解いてみてほしいです。特に、高校生の方で数Ⅲをやっている方がいたら解いてみてほしいです。(多分、大学生以上で数学をやっている方は結構知ってらっしゃるかもしれません。)


関数f(x)f(x)、g(x)g(x)を

f(x)=ex+e−x2,g(x)=ex−e−x2\begin{align*} f(x)=\frac{e^x+e^{-x}}{2},\quad g(x)=\frac{e^x-e^{-x}}{2}\end{align*}

と定義する。ただしxxは実数。また、関数の微分をf′(x)f^\prime (x)のように書くことにする。以下の設問に答えよ。



(1) f′′(x)=f(x)f^{\prime \prime}(x)=f(x)を示せ。また、{f(x)}2−{g(x)}2=1\{f(x)\}^2-\{g(x)\}^2=1を示せ。

(2) ∫0111+x2dx\int_{0}^{1}\frac{1}{\sqrt{1+x^2}}dxを計算せよ。


回答 1件

ベストアンサー

(1)f′(x)=ex−e−x2f'(x)=\dfrac{e^x-e^{-x}}{2} f′′(x)=ex+e−x2=f(x)f''(x)=\dfrac{e^x+e^{-x}}{2}=f(x)


したがってf′′(x)=f(x)f''(x)=f(x)が示された。

また、{f(x)}2−{g(x)}={f(x)−g(x)}{f(x)+g(x)}なので、\{f(x)\}^2-\{g(x)\}=\{f(x)-g(x)\}\{f(x)+g(x)\}なので、

(与式)=(ex−e−x2−ex+e−x2)(ex−e−x2+ex+e−x2)=exe−x=1(与式)=(\dfrac{e^x-e^{-x}}{2}-\dfrac{e^x+e^{-x}}{2})(\dfrac{e^x-e^{-x}}{2}+\dfrac{e^x+e^{-x}}{2})=e^xe^{-x}=1

したがって等式は示された。


(2)x=g(t)と置換し、ここで左の式をtについて解きx=g(t)と置換し、ここで左の式をtについて解き

x=et−e−t2これを変形し、(et)2−2xet−1=0となりx=\frac{e^t-e^{-t}}{2}これを変形し、(e^t)^2-2xe^t-1=0となり

etに関する二次方程式とみて解を出すと、et>0より、et=x+x2+1e^tに関する二次方程式とみて解を出すと、e^t>0より、e^t=x+\sqrt{x^2+1}

両辺に自然対数を取り、t=log⁡(x+x2+1)両辺に自然対数を取り、t=\log({x+\sqrt{x^2+1}})

また、g′(x)=f(x)より、dxdt=g′(t)=f(t)g'(x)=f(x)より、\dfrac{dx}{dt}=g'(t)=f(t)

したがって与式は以下のように変換され、

x0→1t0→log⁡(2+1)\begin{array}{c|ccc} x & 0 & → & 1 \\ \hline t & 0 & → & \log{(\sqrt2+1)} \end{array}

(与式)=∫011x2+1 dx=∫0log⁡(2+1)f(t){f(x)}2−{g(x)}2+{g(x)}2 dt(与式)=\int_{0}^{1} \dfrac{1}{\sqrt{x^2+1}} \ dx=\int_{0}^{\log(\sqrt2+1)} \dfrac{f(t)}{\sqrt{\{f(x)\}^2-\{g(x)\}^2+\{g(x)\}^2}} \ dt

さらにf(t)>0より、∫0log⁡(2+1) dt=[t]0log⁡(2+1)さらにf(t)>0より、\int_{0}^{\log(\sqrt2+1)} \ dt=\left[ t\right]^{\log(\sqrt2+1)}_{0}

ゆえに、求める値はlog⁡(2+1)\log(\sqrt2+1)

結構見づらくなってすみません

この解き方はどうでしょうか


  • 因みに自分は大学1年生です。

  • atozkoxo

    解いていただきありがとうございます。

    こちらが想定していた解き方です。大学生だと、恐らく双曲線関数(sinh⁡(x)\sinh(x)など)を知っていたかもしれませんね。実際ffとggはその形になっています。

    ちょっとした興味なのですが、高校生のときにこのタイプの積分に出会ったことはありましたか?

    自分は高校生の頃これを解いた記憶はないのですが、どうやら高校範囲らしいので。

    補足

    このような誘導抜きで解かせるのはあまり酷な気がします。

  • 高校の時は(2)のような積分には対応できていたと思います。fとgfとgを見たときにsinh⁡(x)とcosh⁡(x)なのは分かりはしたんですが、\sinh(x)と\cosh(x)なのは分かりはしたんですが、積分への応用が利かなかったので強行しちゃいました……


  • atozkoxo

    本問の(1)の意図としては、ffとggを見て三角関数との類似に気づいてもらい、そこから積分に応用してもらおうというものでした。その意味で、解いていただいた方法は僕は真っ当であると思いますが、例えば、高校生が何も言われずにこの関数を思いつくのはあまりに無理な気がします。

    高校生のころは、この様な変数変換を覚えていたということですか?

  • (1)ってそういう意味で設定されていたんですね……流石です。変数変換というのはx=et+e−t2x=\dfrac{e^t+e^{-t}}{2}のことでしょうか?もしそうなら、高校の時は絶対にできていなかったと思います。ex+e−x2\dfrac{e^x+e^{-x}}{2}をみても、「あ、カテナリーだ」くらいの反応だったので(笑)

  • atozkoxo

    実際そうですよね。僕も高校生でこれが出来た記憶はありません。これが高校範囲というのを聞いて少し驚きました。

    もしこのような(もしくはこれに準ずるような)変数変換を覚えろと言うぐらいなら、もう双曲線関数を教科書に載せた方が良いような気もしますね。

  • atozkoxo
    お礼

    解いていただきありがとうございました。その後の質問にも答えて頂き助かりました。

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