解決済み

もう迷惑だってくらいの積分です。(出題者(≠投稿者)が積分好き)A=x2x2+1tan1xdxA=\int \dfrac{x^2}{x^2+1}\tan^{-1} x dxB=111+x21x2dxB=\int_{-1}^1\dfrac{1+x^2}{1-x^2} dxC=0sinxexdxC=\int_0^\infty|\sin x|e^{-x} dxD=01xm(logx)ndxD=\int_0^1x^m\left(\log x\right)^n dxAは不定積分、BCDは定積分Aは不定積分、BCDは定積分を求められる方はいらっしゃいますか?もちろん自分なりの解答はありますが自信がないです。

誤植等があったらご一報ください。過程を書いてくださるとありがたいのですが、僕が一回質問したe2xdx\int e^{2^x} dxのように、複雑すぎて過程が書けない方はなしで大丈夫です。

これからしばらく微積分の質問が飛ぶと思います。よろしくお願いします

ベストアンサー

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積分をいつもありがとうございます 出題者さんと気が合いそうです(笑)

全部こたえたいと思います。


Aは、tan1\tan^{-1}の置換で大丈夫そうです

tan1x=t\tan^{-1}x=tとし、 dtdx=1x2+1\dfrac{dt}{dx}=\dfrac{1}{x^2+1}

A=ttan2t dtA=\int t \tan ^2 t dt

部分積分で何とかすると、

tan2tdt=tantt という事実を使って(割愛)\int \tan^2 t dt=\tan t-t という事実を使って(割愛)

A=t(tantt)(tantt)dtA=t(\tan t-t)-\int (\tan t-t)dt

=12t2+ttant+logcost=-\dfrac{1}{2} t^2+t \tan t +\log |\cos t|

ここで、tant=x、 cost=1x2+1\tan t=x、 \cos t=\dfrac{1}{\sqrt{x^2+1}} より、


A=12(tan1x)2+xtanx12log(x2+1)+C∴A=-\dfrac{1}{2} (\tan^{-1} x)^2+x \tan x -\dfrac{1}{2}\log(x^2+1)+C


Bからは広義積分や特殊積分なので厳密な議論が必要ですが、便宜上少し割愛しますね。


B=limε1+0ε01+x21x2dx+limε1+00ε1+x21x2dxB=\lim_{\varepsilon \to 1+0}\int _{-\varepsilon}^{0} \dfrac{1+x^2}{1-x^2}dx +\lim_{\varepsilon' \to 1+0}\int _{0}^{\varepsilon'} \dfrac{1+x^2}{1-x^2} dx


=limε1+0ε0(11x21)dx+limε1+00ε(11x21)dx=\lim_{\varepsilon \to 1+0}\int _{-\varepsilon}^{0} \Bigl(\dfrac{1}{1-x^2}-1\Bigr)dx +\lim_{\varepsilon' \to 1+0}\int _{0}^{\varepsilon'} \Bigl(\dfrac{1}{1-x^2}-1 \Bigr)dx


=limε1+0[12logx+1x1]0ε+limε1+0[12logx+1x1]0ε=\lim_{\varepsilon \to 1+0} \left[\dfrac{1}{2}\log{\dfrac{x+1}{x-1}} \right]_{0}^{-\varepsilon}+\lim_{\varepsilon' \to 1+0} \left[\dfrac{1}{2}\log{\dfrac{x+1}{x-1}} \right]_{0}^{\varepsilon'}

=+ より広義積分は存在しない。=-∞+∞ より広義積分は存在しない。


Cは一瞬無限等比級数を想像させました(なんでかは知らん)。ですから自然数:kkを用いて部分的に積分を評価して求めました。

kπ から (k+1)π  のような感じですk\pi から (k+1)\pi  のような感じです

ここからはkkを奇数、偶数と書けて考えます。

(k1)πkπexsinxdx=Ik とします\int_{(k-1)\pi}^{k\pi} e^{-x}\sin x dx=I_k とします

()kが奇数のとき(ⅰ)kが奇数のとき

(k1)πkπexsinxdx=0+(k1)πkπexcosxdx\int_{(k-1)\pi}^{k\pi} e^{-x}\sin x dx=0+\int_{(k-1)\pi}^{k\pi} e^{-x} \cos xdx

=(eπ+1)ekπ(k1)πkπexsinxdx=(e^{\pi}+1)e^{-k\pi}-\int_{(k-1)\pi}^{k\pi} e^{-x}\sin x dx

Ik=(eπ+1)ekπ2I_{k奇}=\dfrac{(e^{\pi}+1)e^{-k\pi}}{2}

()kが偶数のとき(ⅱ)kが偶数のとき

(k1)πkπexsinxdx=0(k1)πkπexcosxdx-\int_{(k-1)\pi}^{k\pi} e^{-x}\sin x dx=0-\int_{(k-1)\pi}^{k\pi} e^{-x} \cos xdx

=(eπ+1)ekπ+(k1)πkπexsinxdx=-(e^{\pi}+1)e^{-k\pi}+\int_{(k-1)\pi}^{k\pi} e^{-x}\sin x dx

Ik=(eπ+1)ekπ2I_{k奇}=\dfrac{(e^{\pi}+1)e^{-k\pi}}{2}


結果的に奇数でも偶数でも同じなので、一般的に、


Ik=(eπ+1)ekπ2I_k=\dfrac{(e^{\pi}+1)e^{-k\pi}}{2}

が言えます。したがって、


C=k=1Ikとなり、Ikは公比eπ,初項(eπ+1)eπ2の無限等比級数である。C=\sum_{k=1}^{∞} I_kとなり、I_kは公比e^{-\pi},初項\dfrac{(e^{\pi}+1)e^{-\pi}}{2}の無限等比級数である。


また公比は11より小さいので,この求める和は収束し


C=k=1Ik=(eπ+1)eπ21eπ=eπ+12(eπ1)C=\sum_{k=1}^{∞} I_k=\dfrac{\frac{(e^{\pi}+1)e^{-\pi}}{2}}{1-e^{-\pi}}=\dfrac{e^{\pi}+1}{2(e^{\pi}-1)}



Dはなかなかに面倒かもしれませんが、答えはスッキリしてよかったです。

部分積分でlog\logを消すのを目的として進めると、


limε+0ε1xm(logx)ndx\lim_{\varepsilon \to +0}\int_{\varepsilon}^{1} x^m (\log x)^n dx


=limε+0[1m+1xm+1(logx)n]ε1limε+0ε1nm+1xm(logx)n1dx=\lim_{\varepsilon \to +0}\left[\dfrac{1}{m+1} x^{m+1}(\log x)^n\right]_{\varepsilon}^{1}-\lim_{\varepsilon \to +0}\int_{\varepsilon}^{1}\dfrac{n}{m+1}x^m(\log x)^{n-1} dx


ここで、limε+0εm+1(logε)nについて\lim_{\varepsilon \to+0}{\varepsilon}^{m+1}(\log {\varepsilon})^nについて

logε=y-\log{\varepsilon}=yとし、

limε+0εm+1(logε)n=limεey(m+1)(y)n\lim_{\varepsilon \to+0}{\varepsilon}^{m+1}(\log {\varepsilon})^n=\lim_{\varepsilon \to∞}{e^{{-y}(m+1)}}(-y)^n

一般的に指数関数の方が発散スピードが大きいので、00となる。よって、


limε+0ε1xm(logx)ndx=0limε+0ε1nm+1xm(logx)n1dx\lim_{\varepsilon \to +0}\int_{\varepsilon}^{1} x^m (\log x)^n dx=0-\lim_{\varepsilon \to +0}\int_{\varepsilon}^{1}\dfrac{n}{m+1}x^m(\log x)^{n-1} dx

=0+limε+0(1)2ε1n(n1)(m+1)2xm(logx)n2dx=-0+ \lim_{\varepsilon \to +0}(-1)^2\int_{\varepsilon}^{1}\dfrac{n(n-1)}{(m+1)^2}x^m(\log x)^{n-2} dx

=0+limε+0(1)3ε1n(n1)(n2)(m+1)3xm(logx)n3dx=0+ \lim_{\varepsilon \to +0}(-1)^3\int_{\varepsilon}^{1}\dfrac{n(n-1)(n-2)}{(m+1)^3}x^m(\log x)^{n-3} dx

帰納的に考えてみると、(無理やりですみません)

D=limε+0(1)nε1n!(m+1)nxmdxD= \lim_{\varepsilon \to +0}(-1)^n\int_{\varepsilon}^{1}\dfrac{n!}{(m+1)^ n}x^m dx

したがって、

D=(1)nn!(m+1)n+1∴D=(-1)^n\dfrac{n!}{(m+1)^{n+1}}


多分どこかで何かしてるかもしれないので、確認してくれると大変助かります🙇

骨折りな問題ばかりですねほんと

返信(1件)

大変申し訳ございません、sinx\sin xに絶対値を付けてあげてください。

答えには直接影響しないので何とも言えませんが、細かいところを指摘されるのが数学なので一応訂正しておきます

質問者からのお礼コメント

質問者からのお礼コメント

いやぁほんまにありがとうございます

僕の解答と違うのがCDCDでしたが、友達(出題者)からの解答によると、あなたの回答が正解でした。マジで骨が折れる問題ばかりですけど、わかりやすく説明できることは本当に尊敬します。とてもよく理解できました大変助かりました😄

また(微)積分に関して僕が事故ったらよろしくお願いします🙌🙏

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