Arsenic

積分投稿!

今日から三日間、「校内研修」という名目で英語漬けにされるのですが、今日の話し合いで、「自分にとっての幸せは平和であり、友達がいて、毎日積分ができること\mathbf{毎日積分ができること}」と言ったら、「じゃあ積分出してあげる」と言われて解き切った問題です。

明日正解を聞くのですが、その前にこのサイトにあげておこうと思いましたので、、

I1=∫02π11+esin⁡x+cos⁡xdxI_1=\int_0^{2\pi} \dfrac{1}{1+e^{\sin x+\cos x}} dx

I2=∫02xxlog⁡xx(log⁡x)2x(log⁡x)3⋯43I_2=\int_0^2 x\sqrt{x^{\log x} \sqrt[3]{x^{\left(\log x\right)^2} \sqrt[4]{x^{\left(\log x\right)^3} \cdots}}}

The value of  I3=∫0π26cos⁡x(cos⁡x+sin⁡x)5dxThe value of  I_3=\int_0^{\frac{\pi}{2}} \dfrac{6\sqrt{\cos x}}{\left(\sqrt{\cos x}+\sqrt{\sin x}\right)^5} dx

上の積分を解ける方はいらっしゃいますか?

補足

I2I_2に関して dxdxを忘れています。すみません(この多重根号のコードが大変すぎて忘れたのでしょう)

I3I_3は、一桁の整数になります。

どの積分も気づくと早く、沼ると終わりという感じです

回答 1件

ベストアンサー

やっぱり積分できるって幸せですよねー(笑)私も、こういった問題でとても楽しませてもらってます。社会の喧騒から離れられて最高です!

因みに、今回は感動ポイント高めのが多くて気持ちよかったです

x=π+t とし、 dx=dtx=\pi+t とし、 dx=dt

I1=∫−ππ11+e−sin⁡t− costdtI_1=\int_{-\pi}^{\pi} \dfrac{1}{1+e^{-\sin t-\ cos t}}dt

ここで、被積分関数をf(x)f(x)とすると、任意のxの関してf(x)=f(x+2π)xの関してf(x)=f(x+2\pi)が成立し、周期2π2\piの関数であり、積分区間の長さがその周期に一致していることから範囲を長さを維持しながらずらしても値は変わらないので、

I1=∫−ππ11+e−sin⁡t− costdt ⇒ ∫02π11+e−(sin⁡x+cos⁡x)dxI_1=\int_{-\pi}^{\pi} \dfrac{1}{1+e^{-\sin t-\ cos t}}dt ⇒ \int_{0}^{2\pi} \dfrac{1}{1+e^{-(\sin x+\cos x)}}dx

(かなりの暴挙かと思われますが多めにお願いします)

よって、

2I1=∫02π(11+e(sin⁡x+cos⁡x)+11+e−(sin⁡x+cos⁡x))dx2I_1=\int_{0}^{2\pi} \left(\dfrac{1}{1+e^{(\sin x+\cos x)}}+\dfrac{1}{1+e^{-(\sin x+\cos x)}}\right)dx

ここから感動しました、

=∫02π(11+e(sin⁡x+cos⁡x)+e(sin⁡x+cos⁡x)1+e(sin⁡x+cos⁡x))dx=2π=\int_{0}^{2\pi} \left( \dfrac{1}{1+e^{(\sin x+\cos x)}}+\dfrac{e^{(\sin x+\cos x)}}{1+e^{(\sin x+\cos x)}} \right)dx=2\pi

∴I1=π∴I_1=\pi


被積分関数(以下f(x))(以下f(x))に関して、まず自然対数をとりました。

log⁡f(x)=log⁡x+(log⁡x)22!+(log⁡x)33!+…\log f(x)=\log x+\dfrac{(\log x)^2}{2!}+\dfrac{(\log x)^3}{3!}+…

=∑n=1∞(log⁡x)nn!=\sum_{n=1}^{∞} \dfrac{(\log x)^n}{n!}

この処理に時間を費やしてしまいました。遅れてすみません🙇

またしても感動ポイントでした(笑)自分は高校数学の域をまだ出ていないからですかね

さっきの無限級数をg(x)g(x)とかにしておきます。これを微分します

g′(x)=1x∑n=1∞(log⁡x)n−1(n−1)!g'(x)=\dfrac{1}{x}\sum_{n=1}^{∞} \dfrac{(\log x)^{n-1}}{(n-1)!}ここで出てきた無限級数は初項が11ってこと以外はg(x)g(x)と同じと考えたので、

g′(x)=1x(g(x)+1)g'(x)=\dfrac{1}{x}(g(x)+1)

これで微分方程式の完成ということで、これを解いたら、

∣x∣=∣y+1∣|x|=|y+1|がでてきます。絶対値はlog⁡\logの名残です。ここからですが取り扱っている関数では常にx>0x>0なのでx=∣y+1∣x=|y+1|とでき、

y=−x−1,y=x−1 が出ますy=-x-1,y=x-1 が出ます

先ほど見た無限級数にはlog⁡\logが入っており符号は正であるので増加傾向であることが言えるので

g(x)=x−1 となり、f(x)=ex−1 が導出できますg(x)=x-1 となり、f(x)=e^{x-1} が導出できます

したがって、

I2=∫02ex−1dx=e−1eI_2=\int_{0}^{2} e^{x-1} dx=e-\dfrac{1}{e}



I3I_3に関してですが、結構難しかったです

最初にkingproperty\mathrm{king property}で解消したいことがあるので、

x=π2−t とし、dx=−dtx=\dfrac{\pi}{2}-t とし、dx=-dt

I3=∫0π26cos⁡t(sin⁡t+cos⁡t)5dtI_3=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \dfrac{6\sqrt{\cos t}}{(\sqrt{\sin t}+\sqrt{\cos t})^5}dt

よって、

I3=∫0π23(sin⁡x+cos⁡x)4dxI_3=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \dfrac{3}{(\sqrt{\sin x}+\sqrt{\cos x})^4}dx

ここが難所でした。

u=tan⁡xとし、 dudx=u4+12uu=\sqrt{\tan x} とし、 \dfrac{du}{dx}=\dfrac{u^4+1}{2u}

ここからは広義積分なので不定積分を求めます。

∫1cos⁡2x+sin⁡2x+6sin⁡xcos⁡x+(sin⁡x+cos⁡x)sin⁡xcos⁡xdx\int \dfrac{1}{\cos^2 x+\sin^2 x+6\sin x \cos x+(\sin x +\cos x)\sqrt{\sin x \cos x}}dx

完全に変形させます

∫11+4cos⁡2xtan⁡xtan⁡x+4cos⁡2xtan⁡xdx\int \dfrac{1}{1+4\cos^2x \tan x\sqrt{\tan x}+4\cos^2x \sqrt{\tan x}}dx

=∫2uu4+4u3+6u2+4u+1du=∫2u(1+u)4du=\int \dfrac{2u}{u^4+4u^3+6u^2+4u+1}du=\int \dfrac{2u}{(1+u)^4}du

また置換をして、1+u=v として、1+u=v として、

=2∫(1v3−1v4)dv=2\int\left( \dfrac{1}{v^3}-\dfrac{1}{v^4} \right)dv

=23v3−1v2+C=23(tan⁡x+1)3−1(tan⁡x+1)2+C=\dfrac{2}{3v^3}-\dfrac{1}{v^2}+C=\dfrac{2}{3(\sqrt{\tan x}+1)^3}-\dfrac{1}{(\sqrt{\tan x}+1)^2}+C

これで、これでやっとできます

I3=3lim⁡ϵ→π2[=23(tan⁡x+1)3−1(tan⁡x+1)2]0ϵI_3=3\lim_{\epsilon \to \frac{\pi}{2}} \left[=\dfrac{2}{3(\sqrt{\tan x}+1)^3}-\dfrac{1}{(\sqrt{\tan x}+1)^2} \right]^{\epsilon}_{0}

=1=1

整数がでました(笑) 長文誠に申し訳ないです 沼った証拠ですね


もし、万が一誤植があればお願いします


  • いきなり間違いがありました。二行目のところですが分子のルートの中身sin⁡\sinですね、足して分子が11になるようにしたいので



    間違えずに書くのはめちゃくちゃ難しいですね

  • Arsenic

    ありがとうございます!!!!!

    間違えはお気になさらず。(僕も計算ミスレベルMAXなので)

    ちなみになんですが、(1)もking propertyで解決できます。

    (2)は、途中の形(あなた様の回答であればg(x)g(x))は、eeのマクローリン展開という感じです。(自分は(2)マクローリン展開は気づきましたが(1)のking propertyは気づかなかったです(笑))

    積分はやはり様々な関数や図形などと結びつくので、最高に楽しいです!!

  • ああ!確かに xにlog⁡xに\logいれたらそうなりますね! 盲点でしたー

    補足

    因みに答えは聞けました?

  • Arsenic

    はい。一応上の回答(あなた様の回答)で正解です

  • あっててよかったです。 

    いつも楽しませてもらってますのでこれからもよろしくお願いします!

    補足

    正直いつか皆さん(@Arsenicさんのお仲間)とお話がしてみたいです(笑) 尊敬してるので

  • Arsenic

    こちらこそあなた様に一度お会いしたいです!

    僕も尊敬しています!!!

    これからもよろしくお願いします!!!!!!!!!!!!!

  • 意外な返信ですね! いつか数学について語りましょう!!!

  • Francium

    僕も是非!

  • やりましょう!!!!!

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