解決済み

定積分

∫[0→π/2]{6‪√‬cosx)/(‪√‬sinx+‪√‬cosx)^5}dx

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King Property から,

I=∫0π/26cos⁡x(cos⁡x+sin⁡x)5dx=∫0π/26sin⁡x(sin⁡x+cos⁡x)5dx,∴2I=∫0π/26dx(cos⁡x+sin⁡x)4dx.\begin{gather*} I = \int_0^{\pi/2} \frac{6\sqrt{\cos x}}{(\sqrt{\cos x} + \sqrt{\sin x})^5}dx = \int_0^{\pi/2} \frac{6\sqrt{\sin x}}{(\sqrt{\sin x} + \sqrt{\cos x})^5}dx, \\\therefore\quad 2I= \int_0^{\pi/2} \frac{6dx}{(\sqrt{\cos x} + \sqrt{\sin x})^4}dx.\end{gather*}

y=cos⁡x, y=sin⁡xy = \cos x,\ y = \sin x のグラフは直線 x=π/4x = \pi/4 に関して線対称,ゆえに y=cos⁡x+sin⁡xy = \sqrt{\cos x} + \sqrt{\sin x} も線対称だから,

I=∫0π/46dx(cos⁡x+sin⁡x)4dx. I= \int_0^{\pi/4} \frac{6dx}{(\sqrt{\cos x} + \sqrt{\sin x})^4}dx.

u=tan⁡xu = \sqrt{\tan x} とおくと

cos⁡2x=(1+tan⁡2x)−1=(1+u4)−1,dx=(arctan⁡u2)′du=2u(1+u4)−1du\begin{gather*} \cos^2 x = (1 + \tan^2 x)^{-1} = (1 + u^4)^{-1},\\ dx = (\arctan u^2)'du = 2u(1 + u^4)^{-1}du\end{gather*}

だから,

I=∫0π/46dxcos⁡2x(1+tan⁡x)4dx=∫0112udu(1+u)4. I= \int_0^{\pi/4} \frac{6dx}{\cos^2 x (1 + \sqrt{\tan x})^4}dx= \int_0^1 \frac{12u du}{(1 + u)^4}.

さらに v=1+uv = 1 + u と置換すると

I=∫1212v−4(v−1)dv=12[−12v−2+13v−3]12=1 I= \int_1^2 12 v^{-4} (v - 1) dv= 12 \left[-\frac{1}{2}v^{-2} + \frac{1}{3}v^{-3}\right]_1^2= 1

が得られる。

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