指数関数を分母と分子に含む対数の定積分
指数関数を分母と分子に含む対数の定積分
次の積分を求めよ。
\[ \int_{0}^{\infty}\log\left(\frac{e^{x}-1}{e^{x}+1}\right)dx=? \]
次の積分を求めよ。
\[ \int_{0}^{\infty}\log\left(\frac{e^{x}-1}{e^{x}+1}\right)dx=? \]
最初に
\[ \log\left(\frac{e^{x}+1}{e^{x}-1}\right)=\log\left(e^{x}+1\right)-\log\left(e^{x}-1\right) \] としてしまうと、積分範囲は\(0\leq x<\infty\)なので\(1\leq e^{x}\)となり展開できないので、
\begin{align*} \log\left(\frac{e^{x}+1}{e^{x}-1}\right) & =\log\left(\frac{1+e^{-x}}{1-e^{-x}}\right)\\ & =\log\left(1+e^{-x}\right)-\log\left(1-e^{-x}\right) \end{align*} とする必要があります。
\[ \log\left(\frac{e^{x}+1}{e^{x}-1}\right)=\log\left(e^{x}+1\right)-\log\left(e^{x}-1\right) \] としてしまうと、積分範囲は\(0\leq x<\infty\)なので\(1\leq e^{x}\)となり展開できないので、
\begin{align*} \log\left(\frac{e^{x}+1}{e^{x}-1}\right) & =\log\left(\frac{1+e^{-x}}{1-e^{-x}}\right)\\ & =\log\left(1+e^{-x}\right)-\log\left(1-e^{-x}\right) \end{align*} とする必要があります。
\begin{align*}
\int_{0}^{\infty}\log\left(\frac{e^{x}+1}{e^{x}-1}\right)dx & =\int_{0}^{\infty}\log\left(\frac{1+e^{-x}}{1-e^{-x}}\right)dx\\
& =\int_{0}^{\infty}\log\left(1+e^{-x}\right)dx-\int_{0}^{\infty}\log\left(1-e^{-x}\right)dx\\
& =\int_{0}^{\infty}\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\left(-1\right)^{k+1}\left(e^{-x}\right)^{k}}{k}dx-\int_{0}^{\infty}\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\left(-1\right)^{k+1}\left(-e^{-x}\right)^{k}}{k}dx\cmt{\because-1<x\leq1\rightarrow\log\left(1+x\right)=\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\left(-1\right)^{k+1}x^{k}}{k}}\\
& =\int_{0}^{\infty}\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\left(-1\right)^{k+1}e^{-kx}}{k}dx+\int_{0}^{\infty}\sum_{k=1}^{\infty}\frac{e^{-kx}}{k}dx\\
& =\int_{0}^{\infty}\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\left(\left(-1\right)^{k+1}+1\right)e^{-kx}}{k}dx\\
& =\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\left(\left(-1\right)^{k+1}+1\right)}{k}\int_{0}^{\infty}e^{-kx}dx\\
& =\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\left(\left(-1\right)^{k+1}+1\right)}{k}\left[\frac{e^{-kx}}{-k}\right]_{0}^{\infty}\\
& =\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\left(\left(-1\right)^{k+1}+1\right)}{k}\cdot\frac{1}{k}\\
& =\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\left(\left(-1\right)^{k+1}+1\right)}{k^{2}}\\
& =\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\left(\left(-1\right)^{\left(2k-1\right)+1}+1\right)}{\left(2k-1\right)^{2}}+\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\left(\left(-1\right)^{2k+1}+1\right)}{\left(2k\right)^{2}}\\
& =2\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{\left(2k-1\right)^{2}}\\
& =2\left(\zeta\left(2\right)-\frac{1}{2^{2}}\zeta\left(2\right)\right)\\
& =2\left(1-\frac{1}{2^{2}}\right)\zeta\left(2\right)\\
& =\frac{3}{2}\zeta\left(2\right)\\
& =\frac{\pi^{2}}{4}
\end{align*}
ページ情報
タイトル | 指数関数を分母と分子に含む対数の定積分 |
URL | https://www.nomuramath.com/ab95baw2/ |
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