解決済み

今日久しぶりに詰まった積分です。0π2sinxlogsinxdx\int_0^\dfrac{\pi}{2} \sin x \log \sin x dxを求められる方はいらっしゃいますか?

ベストアンサー

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まず、sinxlogsinxdx\int \sin x \log \sin x dxを部分積分によって

sinxlogsinxdx=cosxlogsinx+cos2xsinxdx\int \sin x \log \sin x dx=-\cos x \log \sin x +\int \dfrac{\cos^2 x}{\sin x}dxとし、右辺の二項目の計算をします。

cos2xsinxdx=1sin2xsinxdx=cscxdxsinxdx=log(cscx+cotx)+cosx+C\int \dfrac{\cos^2 x}{\sin x}dx=\int \dfrac{1-\sin^2 x}{\sin x}dx=\int \csc x dx-\int \sin x dx=-\log (\csc x +\cot x)+\cos x+C

となりますので、

sinxlogsinxdx=cosxlogsinxlog(cscx+cotx)+cosx+C=cosx(logsinx1)log(cscx+cotx)+C\int \sin x \log \sin x dx= -\cos x \log \sin x -\log (|\csc x +\cot x|)+\cos x+C=-\cos x (\log \sin x -1)-\log (|\csc x +\cot x|)+C

となり、不定積分ができます。なお、cscx\csc xの積分公式を使っています。

あとは代入し計算すると、

log21\log2-1

となります。

補足

見づらくてすみません。

返信(1件)

ありがとうございます

とてもわかりやすいです

そのほかの回答(1件)

x=π2ux=\dfrac{\pi}{2}-uと置換して整理すると、

0π2cos(u)log(cos(u))du\int_{0}^{\dfrac{\pi}{2}}\cos(u)\log(\cos(u))du

となり、部分積分して

limαπ2[sin(u)log(cos(u))sin(u)+log(tan(u)+1cos(u))]0α\lim_{\alpha \to \frac{\pi}{2}}[\sin(u)\log(\cos(u))-\sin(u)+\log(\tan(u)+\dfrac{1}{\cos(u)})]^{\alpha}_{0}

=limαπ2log(sin(α)+1)(cossin(α)α)cos(α)1=\lim_{\alpha \to \frac{\pi}{2}}\log\dfrac{(\sin(\alpha)+1)(\cos^{\sin(\alpha)}\alpha)}{\cos(\alpha)}-1

を求めればいいことがわかります。


ここで、

limαπ2(sin(α)+1)(cossin(α)α)cos(α)\lim_{\alpha \to \frac{\pi}{2}}\dfrac{(\sin(\alpha)+1)(\cos^{\sin(\alpha)}\alpha)}{\cos(\alpha)}

log2\log2 に収束するので、求める値は log21\log2 -1 になります

補足

limαπ2(sin(α)+1)(cossin(α)α)cos(α)\lim_{\alpha \to \frac{\pi}{2}}\dfrac{(\sin(\alpha)+1)(\cos^{\sin(\alpha)}\alpha)}{\cos(\alpha)}

log2\log2 ではなく 22 に収束します..

他にも間違いがあるかもしれません.....

返信(4件)

22 に収束する部分は limαπ2(sin(α)+1)(cossin(α)α)cos(α)\lim_{\alpha \to \frac{\pi}{2}}\dfrac{(\sin(\alpha)+1)(\cos^{\sin(\alpha)}\alpha)}{\cos(\alpha)} =2limαπ2(cossin(α)α)cos(α)=2\lim_{\alpha \to \frac{\pi}{2}}\dfrac{(\cos^{\sin(\alpha)}\alpha)}{\cos(\alpha)} =2limα0sincos(α)(α)sin(α)=2\lim_{\alpha \to 0}-\dfrac{-\sin^{\cos(\alpha)}(\alpha)}{\sin(\alpha)} =2limα0(α)cos(α)α=-2\lim_{\alpha \to 0}\dfrac{(-\alpha)^{\cos(\alpha)}}{\alpha}

=2limα0(α)12sin2(α2)α=-2\lim_{\alpha \to 0}\dfrac{(-\alpha)^{1-2\sin^{2}(\frac{\alpha}{2})}}{\alpha} =2limα01(α)2sin2(α2)=-2\lim_{\alpha \to 0}-\dfrac{1}{(-\alpha)^{2\sin^{2}(\frac{\alpha}{2})}} =2limα01(α)α22=-2\lim_{\alpha \to 0}-\dfrac{1}{(-\alpha)^{\frac{\alpha^{2}}{2}}} =2limα0elog(α)α22=2\lim_{\alpha \to 0}e^{-\frac{\log(-\alpha)\alpha^{2}}{2}}

ここで、 limα0log(α)α22=12limαlog(1α)α2=0\lim_{\alpha \to 0}-\frac{\log(-\alpha)\alpha^{2}}{2}=-\dfrac{1}{2}\lim_{\alpha \to \infty}\frac{\log(-\dfrac{1}{\alpha})}{\alpha^{2}}=0 より、 2limα0elog(α)α22=2limα0e0=22\lim_{\alpha \to 0}e^{-\frac{\log(-\alpha)\alpha^{2}}{2}}=2\lim_{\alpha \to 0}e^{0}=2 と計算できます 楽になりそうだと思ったら逆に複雑になりました

わざわざ詳しく書いてくださりありがとうございます

とても助かります

本当にありがとうございます

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