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、tan−1の置換で大丈夫そうです
tan−1x=tとし、 dxdt=x2+11
A=∫ttan2t dt
部分積分で何とかすると、
∫tan2tdt=tant−t という事実を使って(割愛)
A=t(tant−t)−∫(tant−t)dt
=−21t2+ttant+log∣cost∣
ここで、tant=x、 cost=x2+11 より、
∴A=−21(tan−1x)2+xtanx−21log(x2+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=ε→1+0lim∫−ε01−x21+x2dx+ε′→1+0lim∫0ε′1−x21+x2dx
=ε→1+0lim∫−ε0(1−x21−1)dx+ε′→1+0lim∫0ε′(1−x21−1)dx
=ε→1+0lim[21logx−1x+1]0−ε+ε′→1+0lim[21logx−1x+1]0ε′
=−∞+∞ 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:k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
ここからはkを奇数、偶数と書けて考えます。
∫(k−1)πkπe−xsinxdx=Ik とします
(ⅰ)kが奇数のとき
∫(k−1)πkπe−xsinxdx=0+∫(k−1)πkπe−xcosxdx
=(eπ+1)e−kπ−∫(k−1)πkπe−xsinxdx
Ik奇=2(eπ+1)e−kπ
(ⅱ)kが偶数のとき
−∫(k−1)πkπe−xsinxdx=0−∫(k−1)πkπe−xcosxdx
=−(eπ+1)e−kπ+∫(k−1)πkπe−xsinxdx
Ik奇=2(eπ+1)e−kπ
結果的に奇数でも偶数でも同じなので、一般的に、
Ik=2(eπ+1)e−kπ
が言えます。したがって、
C=k=1∑∞Ikとなり、Ikは公比e−π,初項2(eπ+1)e−πの無限等比級数である。
また公比は1より小さいので,この求める和は収束し
C=k=1∑∞Ik=1−e−π2(eπ+1)e−π=2(eπ−1)eπ+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を消すのを目的として進めると、
ε→+0lim∫ε1xm(logx)ndx
=ε→+0lim[m+11xm+1(logx)n]ε1−ε→+0lim∫ε1m+1nxm(logx)n−1dx
ここで、ε→+0limεm+1(logε)nについて
−logε=yとし、
ε→+0limεm+1(logε)n=ε→∞lime−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、0となる。よって、
ε→+0lim∫ε1xm(logx)ndx=0−ε→+0lim∫ε1m+1nxm(logx)n−1dx
=−0+ε→+0lim(−1)2∫ε1(m+1)2n(n−1)xm(logx)n−2dx
=0+ε→+0lim(−1)3∫ε1(m+1)3n(n−1)(n−2)xm(logx)n−3dx
帰納的に考えてみると、(無理やりですみません)
D=ε→+0lim(−1)n∫ε1(m+1)nn!xmdx
したがって、
∴D=(−1)n(m+1)n+1n!
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
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CD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🙌🙏