Francium

今日久しぶりに詰まった積分です。∫0π2sin⁡xlog⁡sin⁡xdx\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?

回答 2件

ベストアンサー

kirby

まず、∫sin⁡xlog⁡sin⁡xdx\int \sin x \log \sin x dxを部分積分によって

∫sin⁡xlog⁡sin⁡xdx=−cos⁡xlog⁡sin⁡x+∫cos⁡2xsin⁡xdx\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。

∫cos⁡2xsin⁡xdx=∫1−sin⁡2xsin⁡xdx=∫csc⁡xdx−∫sin⁡xdx=−log⁡(csc⁡x+cot⁡x)+cos⁡x+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、

∫sin⁡xlog⁡sin⁡xdx=−cos⁡xlog⁡sin⁡x−log⁡(∣csc⁡x+cot⁡x∣)+cos⁡x+C=−cos⁡x(log⁡sin⁡x−1)−log⁡(∣csc⁡x+cot⁡x∣)+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、csc⁡x\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、

log⁡2−1\log2-1

となります。

補足

見づらくてすみません。

  • Francium

    ありがとうございます

    とてもわかりやすいです

manimani1

x=π2−ux=\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

lim⁡α→π2[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}

=lim⁡α→π2log⁡(sin⁡(α)+1)(cos⁡sin⁡(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、

lim⁡α→π2(sin⁡(α)+1)(cos⁡sin⁡(α)α)cos⁡(α)\lim_{\alpha \to \frac{\pi}{2}}\dfrac{(\sin(\alpha)+1)(\cos^{\sin(\alpha)}\alpha)}{\cos(\alpha)}

は log⁡2\log2 に収束するので、求める値は log⁡2−1\log2 -1 になります

補足

lim⁡α→π2(sin⁡(α)+1)(cos⁡sin⁡(α)α)cos⁡(α)\lim_{\alpha \to \frac{\pi}{2}}\dfrac{(\sin(\alpha)+1)(\cos^{\sin(\alpha)}\alpha)}{\cos(\alpha)}

は log⁡2\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.....

  • manimani1

    22 に収束する部分は lim⁡α→π2(sin⁡(α)+1)(cos⁡sin⁡(α)α)cos⁡(α)\lim_{\alpha \to \frac{\pi}{2}}\dfrac{(\sin(\alpha)+1)(\cos^{\sin(\alpha)}\alpha)}{\cos(\alpha)} =2lim⁡α→π2(cos⁡sin⁡(α)α)cos⁡(α)=2\lim_{\alpha \to \frac{\pi}{2}}\dfrac{(\cos^{\sin(\alpha)}\alpha)}{\cos(\alpha)} =2lim⁡α→0−−sin⁡cos⁡(α)(α)sin⁡(α)=2\lim_{\alpha \to 0}-\dfrac{-\sin^{\cos(\alpha)}(\alpha)}{\sin(\alpha)} =−2lim⁡α→0(−α)cos⁡(α)α=-2\lim_{\alpha \to 0}\dfrac{(-\alpha)^{\cos(\alpha)}}{\alpha}

  • manimani1

    =−2lim⁡α→0(−α)1−2sin⁡2(α2)α=-2\lim_{\alpha \to 0}\dfrac{(-\alpha)^{1-2\sin^{2}(\frac{\alpha}{2})}}{\alpha} =−2lim⁡α→0−1(−α)2sin⁡2(α2)=-2\lim_{\alpha \to 0}-\dfrac{1}{(-\alpha)^{2\sin^{2}(\frac{\alpha}{2})}} =−2lim⁡α→0−1(−α)α22=-2\lim_{\alpha \to 0}-\dfrac{1}{(-\alpha)^{\frac{\alpha^{2}}{2}}} =2lim⁡α→0e−log⁡(−α)α22=2\lim_{\alpha \to 0}e^{-\frac{\log(-\alpha)\alpha^{2}}{2}}

  • manimani1

    ここで、 lim⁡α→0−log⁡(−α)α22=−12lim⁡α→∞log⁡(−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、 2lim⁡α→0e−log⁡(−α)α22=2lim⁡α→0e0=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

  • Francium

    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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