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Integrals and Miscellaneous 1

0(1xarctan1x)dx=ϵ(1x2arctanxx3)dx=1ϵ+[arctanx2x2]ϵ12ϵdxx2(1+x2)=π4+12ϵ12ϵ2arctanϵ=π4+12ϵ12ϵ2(ϵ+O(ϵ3))=π4

π2π21cos2x1+cos2xdx=410(1+t21+t411+t2)dt=410(1/2t22t+1+1/2t2+2t+1)π=22(arctan(21)+arctan(2+1))π=π(21)

Indefinite integral

1cos2x1+cos2xdx=csc2xcot2xcsc2+cot2xdxcotx=y,csc2xdx=dy,csc2x=1+y2dy(1+2y2)(1+y2)=dy1+y22dy1+2y2=arctany2arctan2y+C=arctancotx2arctan(2cotx)+C=π2x2(π2arctantanx2)+C=2arctantanx2x+C

0x4dx4cosh2x1=0x4e2xdxe4x+e2x+1=0x4(e2xe4x)dx1e6x=0x4e2xdx1e6x0x4e4xdx1e6x=165[0x4e13xdx1ex0x4e23xdx1ex]=4!65[ζ(5,13)ζ(5,23)]=4!65(6π)54!223ζ(4,13)=π553B5(1/3)=π553[5243]=π52433

CMだよ!常微分方程式シリーズ全20回のスタートはこちらから。

【D1】1階線型微分方程式の解法

10arcsinxxdx=π20θcotθdθ(sinθ=x)=[θlogsinθ]π20π20logsinθdθ=π20logsinθdθ=14Bx(12,12)=14B(12,12)[ψ(12)ψ(1)]=14π(2log2)=π2log2

Integral representation of the digammma function by Gauss

I=10(11x+1logx)dx=0(11et1t)etdt(t=logx)=lims00ts(11et1t)etdt=lims00(tset1ts1et)dt=lims0[Γ(s+1)ζ(s+1)Γ(s)]=lims0[Γ(s+1)ζ(s+1)Γ(s+1)s]=lims0[ζ(s+1)1s]=ψ(1)=γ

0sinxarctan1xdx=[cosxarctan1x]00cosx1+x2dx=π20cosx1+x2dx=π2(11e)()

(*) can be evaluated by residues.

コマーシャル!ガンマ関数の基礎シリーズ全20回のスタートはここから。

I=π20log(1+tanx)dx=0log(1+y)1+y2dy積分区間を2つに分ける頻出テクニックI=10log(1+y)1+y2dy+1log(1+y)1+y2dy=10log(1+y)1+y2dy+10logx+1x1+x2dx(x=1/y)=210log(1+x)1+x2dx10logx1+x2dx=210log(1+x)1+x2dx+G()=210log2log(1+t)1+t2dt+G(x=1t1+t)=π2log2210log(1+t)1+t2dt+G=π2log2(IG)+G(because())=π2log2+2G=II=π4log2+G

About (*):

10logx1+x2dx=10logxn=0(x2)ndx=n=0(1)n(2n+1)2=G

10arcsinxarccosxdx=π210arcsinxdx10arcsin2xdx

First term of the RHS:10arcsinxdx=[xarcsinx]1010x1x2dx=π21

Second term of the RHS:10arcsin2xdx=[xarcsin2x]10210xarcsinxdx1x2=π24+2[1x2arcsinx]102=π242

10arcsinxarccosxdx=2π2

I=π20arctansinxsinxdx=10arctantdtt1t2(x=arcsint)

Define I(a)=10arctanatdtt1t2 , then I=I(1) , I(0)=0.I(a)=dt1t2(1+a2t2)=π20du1+a2sin2u(t=sinu)=0dyy2+a2+1(y=cotu)=π211+a2I(a)=π2log(a+1+a2)I=π2log(1+2)

I=0xsinx1+x2dx=12xsinx1+x2dx

Czeiz1+z2dz=20xeix1+x2dx+Γzeiz1+z2dzC:semicircle of large radius R which includes a pole z=i. Γ is the big arc of C.C=2πizeizz+i|z=i=iπe

|Γ|π0|ReiθeiReiθ1+R2e2iθieiθ|dθπ0|ReRsinθR21|dθ=RR21π0eRsinθdθ=2RR21π20eRsinθdθπRR210(asR)

Hence,0xsinx1+x2dx=π2e

ここでCM。ゼータ関数の基礎シリーズの第1回はこちらから!

2022/3/25

I=0cosx2cosxxdx

ϵ(11+xcosx)dxx=[logx1+x]ϵ+Ci(ϵ)=logϵ+γ+logϵ=γHence,0(11+xcosx)dxx=γ

Let xx2 , we get0(11+x2cosx2)dxx=12γ(1)-(2), we obtainγ2=0x1(1+x)(1+x2)dx+I

0x1(1+x)(1+x2)dx=10x1(1+x)(1+x2)dx+1x1(1+x)(1+x2)dx=10x1(1+x)(1+x2)dx+101x1(1+1x)(1+1x2)dxx2=10x1(1+x)(1+x2)dx10x1(1+x)(1+x2)dx=0

Therefore,I=γ2

2022/3/25

I=π0log(2sinx2)log(2cosx2)dx=π0(log22+log2log(sinx2cosx2)+(logsinx2)(logcosx2))=log2π0logsinxdx+π0(logsinx2)(logcosx2)dx=2log2π20logsinxdx+2π20(logsinx)(logcosx)dx

These two integrals are evaluated below:π20logsinxdx=14Bx(12,12)=14B(12,12)(ψ(12)ψ(1))=π2log2π20(logsinx)(logcosx)dx=182Bxy(12,12)=18B(12,12)[(ψ(12)ψ(1))2ψ(1)]=π8[4log22ζ(2)]=π2log22π348Hence,I=π324

2022/3/25

ψ(x)=n=en2πx(x>0)Consider CNez2πxe2πiz1dzCN is the rectangle whose vertices are ±(N+12)±i.

Calculating the residues, let CNC as N ,we obtainψ(x)=Cez2πxe2πiz1dzSeparate the contour:ψ(x)=(ii++ii++i+i+i+i)ez2πxe2πiz1dzWe can easily prove the second and fourth integral tend to zero.

The first integral:iiez2πxe2πiz1dz=iin=1exp(2πinzz2πx)dz=n=1en2πxiieπx(z+ni/x)2dx=1xn=1en2π/x=1x1n=en2π/xThe third integral in the same way: +i+iez2πxe2πiz1dz=1xn=0en2π/xHence,ψ(x)=1xψ(1x)

2022/3/25

I=0xb1(1+xa)sdx

B(p,q)=10tp1(1t)q1dt=0sq1(1+s)p+qds(t=11+s)=a0xaq1(1+xa)p+qdx(s=xa)Let p=sba , q=ba thenI=1aB(sba,ba)Hence,I=Γ(sba)Γ(ba)aΓ(s)

2022/3/26

cos(sinx)sin(cosx)=2sin(12sin(x+π4)π4)cos(12sin(xπ4)π4)

π2<12π412sin(x±π4)π412π4<0Therefore,sin(12sin(x+π4)π4)<0cos(12sin(xπ4)π4)>0Hence,cos(sinx)>sin(cosx)

2022/3/26

0cosxexxdx=0

Proof is here:

Excercise of Contour Integral (Combination of Real and Imaginary Axis)

2022/3/26

I=0(1+x4x2)dx=0(11+x4+x41+x4x2)dx=230dx1+x4[x3x1+x43]0=230dx1+x4=160t34(1+t)12dt(t=x4)=16B(14,14)=Γ2(14)6π

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