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Arsenic

積分投稿!!

I=∫02πxdxϕ−cos⁡2xI=\int_{0}^{2 \pi} \dfrac{x dx}{\phi-\cos^2 x}を求められる方はいらっしゃいますか?

ただし、ϕ\phiは、黄金比を表します。

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I=ϕ−1∫02πx1−ϕ−1cos⁡2xdx=ϕ−1∫02πx(∑k=0∞(ϕ−1cos⁡2x)k)dx=ϕ−1∑k=0∞ϕ−k∫02πxcos⁡2kxdx\begin{aligned}I &= \phi^{-1} \int_0^{2\pi} \frac{x}{1 - \phi^{-1}\cos^2 x} dx \\ &= \phi^{-1} \int_0^{2\pi} x \left(\sum_{k = 0}^\infty (\phi^{-1}\cos^2 x)^k\right) dx \\ &= \phi^{-1} \sum_{k = 0}^\infty \phi^{-k} \int_0^{2\pi} x \cos^{2k} x dx\end{aligned}

King Property から ∫02πxcos⁡2kxdx=π∫02πcos⁡2kxdx\int_0^{2\pi} x \cos^{2k} x dx = \pi \int_0^{2\pi} \cos^{2k} x dx が言えるので,

I=πϕ−1∑k=0∞ϕ−k∫02πcos⁡2kxdx=π∫02πdxϕ−cos⁡2x=4π∫0π2dxϕ−cos⁡2x=4π∫0∞ϕdtϕ2t2+1(cos⁡2x=t)=4π[arctan⁡(ϕt)]0∞=2π2\begin{aligned}I &= \pi\phi^{-1} \sum_{k = 0}^\infty \phi^{-k} \int_0^{2\pi} \cos^{2k} x dx \\ &= \pi \int_0^{2\pi} \frac{dx}{\phi - \cos^2 x} \\ &= 4\pi \int_0^{\frac{\pi}{2}} \frac{dx}{\phi - \cos^2 x} \\ &= 4\pi \int_0^{\infty} \frac{\phi dt}{\phi^2 t^2 + 1} \quad (\cos 2x = t)\\ &= 4\pi\left[\arctan(\phi t)\right]_0^{\infty} \\ &= 2\pi^2\end{aligned}

ζ(2)\zeta(2) と関係ありそうですが,どう関係しているのか判らなかったので,ご存じでしたら教えてください。


補足

余計な級数展開などしていますが初めから King Property を使えばよかったですね……


  • Arsenic

    ご回答ありがとうございます。

    確かに、ζ(2)\zeta(2)と関係がありそうですね。しかしながら、僕の知識不足が発動してしまい、数学的な関係性についてはわかりませんでした。(泣)


    やはりking propertyは気持ちいいですね。(※あくまでも個人の感想です。個人的には留数定理も結構気持ちいいと思っております)

    価値観を押し付けてしまいましたが、ご回答ありがとうございます。

    謝罪:

    以前あなた様が回答してくださった下のURLから飛べる質問の回答を無視してしまい、大変申し訳ございません。以後、定期的に確認をするようにし、二度とこのようなことが起こらぬよう努めますので、今回の件はどうかご容赦ください。

    URL:https://manabitimes.jp/qa/6471

    これからも、積分などの質問をこのサイトにあげていく予定です。(自分の解法以外の美しい解法に出会いたいので。)

    これからもよろしくお願いいたします

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