ガウス積分のような定積分
ガウス積分のような定積分
次の定積分を求めよ。
\[ \int_{0}^{\infty}\frac{1}{1+e^{x^{2}}}dx=? \]
次の定積分を求めよ。
\[ \int_{0}^{\infty}\frac{1}{1+e^{x^{2}}}dx=? \]
最初に積分範囲が0から\(\infty\)なので分母分子に\(e^{-x^{2}}\)を掛けて、
\begin{align*} \frac{1}{1+e^{x^{2}}} & =\frac{e^{-x^{2}}}{1+e^{-x^{2}}}\\ & =e^{-x^{2}}\sum_{k-0}^{\infty}\left(-e^{-x^{2}}\right)^{k} \end{align*} としている。
途中で、\(\eta\left(\frac{1}{2}\right)\)は、
\begin{align*} \eta\left(\frac{1}{2}\right) & =\sum_{k=1}^{\infty}\left(-1\right)^{k-1}\frac{1}{k^{\frac{1}{2}}}\\ & =\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{\left(2k-1\right)^{\frac{1}{2}}}-\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{\left(2k\right)^{\frac{1}{2}}}\\ & =\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^{\frac{1}{2}}}-\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{\left(2k\right)^{\frac{1}{2}}}-\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{\left(2k\right)^{\frac{1}{2}}}\\ & =\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^{\frac{1}{2}}}-2\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{\left(2k\right)^{\frac{1}{2}}}\\ & =\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^{\frac{1}{2}}}-\frac{2}{2^{\frac{1}{2}}}\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^{\frac{1}{2}}}\\ & =\left(1-\frac{2}{\sqrt{2}}\right)\zeta\left(\frac{1}{2}\right)\\ & =\frac{\sqrt{2}-2}{\sqrt{2}}\zeta\left(\frac{1}{2}\right)\\ & =-\left(\sqrt{2}-1\right)\zeta\left(\frac{1}{2}\right) \end{align*} を使っている。
\begin{align*} \frac{1}{1+e^{x^{2}}} & =\frac{e^{-x^{2}}}{1+e^{-x^{2}}}\\ & =e^{-x^{2}}\sum_{k-0}^{\infty}\left(-e^{-x^{2}}\right)^{k} \end{align*} としている。
途中で、\(\eta\left(\frac{1}{2}\right)\)は、
\begin{align*} \eta\left(\frac{1}{2}\right) & =\sum_{k=1}^{\infty}\left(-1\right)^{k-1}\frac{1}{k^{\frac{1}{2}}}\\ & =\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{\left(2k-1\right)^{\frac{1}{2}}}-\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{\left(2k\right)^{\frac{1}{2}}}\\ & =\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^{\frac{1}{2}}}-\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{\left(2k\right)^{\frac{1}{2}}}-\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{\left(2k\right)^{\frac{1}{2}}}\\ & =\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^{\frac{1}{2}}}-2\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{\left(2k\right)^{\frac{1}{2}}}\\ & =\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^{\frac{1}{2}}}-\frac{2}{2^{\frac{1}{2}}}\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^{\frac{1}{2}}}\\ & =\left(1-\frac{2}{\sqrt{2}}\right)\zeta\left(\frac{1}{2}\right)\\ & =\frac{\sqrt{2}-2}{\sqrt{2}}\zeta\left(\frac{1}{2}\right)\\ & =-\left(\sqrt{2}-1\right)\zeta\left(\frac{1}{2}\right) \end{align*} を使っている。
\begin{align*}
\int_{0}^{\infty}\frac{1}{1+e^{x^{2}}}dx & =\int_{0}^{\infty}\frac{e^{-x^{2}}}{1+e^{-x^{2}}}dx\\
& =\int_{0}^{\infty}e^{-x^{2}}\sum_{k-0}^{\infty}\left(-e^{-x^{2}}\right)^{k}dx\\
& =\int_{0}^{\infty}\sum_{k-0}^{\infty}\left(-1\right)^{k}e^{-\left(k+1\right)x^{2}}dx\\
& =\sum_{k-0}^{\infty}\left(-1\right)^{k}\int_{0}^{\infty}e^{-\left(k+1\right)x^{2}}dx\\
& =\sum_{k-0}^{\infty}\left(-1\right)^{k}\int_{0}^{\infty}e^{-\left(k+1\right)x^{2}}dx\\
& =\sum_{k-0}^{\infty}\left(-1\right)^{k}\frac{1}{2}\sqrt{\frac{\pi}{k+1}}\cmt{\because\int_{0}^{\infty}e^{-\left|a\right|x^{2}}dx=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{\pi}{\left|a\right|}}}\\
& =\frac{\sqrt{\pi}}{2}\sum_{k=1}^{\infty}\left(-1\right)^{k-1}\frac{1}{k^{\frac{1}{2}}}\\
& =\frac{\sqrt{\pi}}{2}\eta\left(\frac{1}{2}\right)\\
& =\frac{\sqrt{\pi}}{2}\left(\zeta\left(\frac{1}{2}\right)-\frac{2}{2^{\frac{1}{2}}}\zeta\left(\frac{1}{2}\right)\right)\\
& =\frac{\sqrt{\pi}}{2}\cdot\frac{\sqrt{2}-2}{\sqrt{2}}\zeta\left(\frac{1}{2}\right)\\
& =\frac{\sqrt{\pi}}{2}\cdot\frac{2-2\sqrt{2}}{2}\zeta\left(\frac{1}{2}\right)\\
& =-\frac{\sqrt{2}-1}{2}\sqrt{\pi}\zeta\left(\frac{1}{2}\right)
\end{align*}
ページ情報
| タイトル | ガウス積分のような定積分 |
| URL | https://www.nomuramath.com/w26eay3a/ |
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指数関数を分母と分子に含む対数の定積分
\[
\int_{0}^{\infty}\log\left(\frac{e^{x}-1}{e^{x}+1}\right)dx=?
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\int_{0}^{\infty}\frac{\log x}{x^{n}+1}dx=?
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\int_{0}^{1}\left(x^{x}\right)^{\left(x^{x}\right)^{\left(x^{x}\right)^{\iddots}}}dx=?
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\[
\int_{0}^{\infty}\frac{\sin^{3}x}{x^{2}}dx=?
\]

