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北海道大学/2001年度

北海道大学 2001年 数学 第4問解答・解説

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1問題

北海道大学2001年度第4問

−1<a<1とする。- 1 < a < 1 \text {とする。}

(1) 積分 ∫0a11−x2dx\displaystyle \int_{0}^{a}\frac{1}{1-x^{2}}dx を求めよ。

(2) n = 1, 2, 3, … のとき, つぎの等式を示せ。

∫0ax2n+21−x2dx=12log⁡1+a1−a−∑k=0na2k+12k+1\displaystyle \int_ {0} ^ {a} \frac {x ^ {2 n + 2}}{1 - x ^ {2}} d x = \frac {1}{2} \log \frac {1 + a}{1 - a} - \sum\limits _ {k = 0} ^ {n} \frac {a ^ {2 k + 1}}{2 k + 1}

(3) つぎの等式を示せ。

log⁡1+a1−a=2∑k=0∞a2k+12k+1\displaystyle \log \frac {1 + a}{1 - a} = 2 \sum\limits _ {k = 0} ^ {\infty} \frac {a ^ {2 k + 1}}{2 k + 1}

まずは自分で解いてみましょう。詰まったら「考え方」、解けたら「答え」で確かめられます。

2解答

解答を見る答えはこの解答の中にあります

11−x2=12(11+x+11−x)(−1<x<1),∫0adx1−x2=12[log⁡(1+x)−log⁡(1−x)]0a=12log⁡1+a1−a.(1)x2n+21−x2=11−x2−∑k=0nx2k,∫0ax2n+21−x2 dx=∫0adx1−x2−∑k=0na2k+12k+1=12log⁡1+a1−a−∑k=0na2k+12k+1.(2)In(a)=∫0ax2n+21−x2 dx,b=∣a∣<1,∣In(a)∣=∫0bt2n+21−t2 dt≦b2n+31−b2⟶0.(2)より∑k=0na2k+12k+1=12log⁡1+a1−a−In(a)⟶12log⁡1+a1−a.∴log⁡1+a1−a=2∑k=0∞a2k+12k+1.(3)\displaystyle \begin{aligned}\frac{1}{1-x^2}&=\frac12\left(\frac{1}{1+x}+\frac{1}{1-x}\right)\quad(-1<x<1),\\ \int_0^a\frac{dx}{1-x^2}&=\frac12\left[\log(1+x)-\log(1-x)\right]_0^a=\frac12\log\frac{1+a}{1-a}.\qquad\text{(1)}\\[4pt]\frac{x^{2n+2}}{1-x^2}&=\frac{1}{1-x^2}-\sum\limits _{k=0}^{n}x^{2k},\\ \int_0^a\frac{x^{2n+2}}{1-x^2}\,dx&=\int_0^a\frac{dx}{1-x^2}-\sum\limits _{k=0}^{n}\frac{a^{2k+1}}{2k+1}\\ &=\frac12\log\frac{1+a}{1-a}-\sum\limits _{k=0}^{n}\frac{a^{2k+1}}{2k+1}.\qquad\text{(2)}\\ I_n(a)&=\int_0^a\frac{x^{2n+2}}{1-x^2}\,dx,\qquad b=|a|<1,\\ |I_n(a)|&=\int_0^b\frac{t^{2n+2}}{1-t^2}\,dt\leq\frac{b^{2n+3}}{1-b^2}\longrightarrow0.\\ \text{(2)より}\quad \sum\limits _{k=0}^{n}\frac{a^{2k+1}}{2k+1}&=\frac12\log\frac{1+a}{1-a}-I_n(a)\longrightarrow\frac12\log\frac{1+a}{1-a}.\\ \therefore\quad \log\frac{1+a}{1-a}&=2\sum\limits _{k=0}^{\infty}\frac{a^{2k+1}}{2k+1}.\qquad\text{(3)}\end{aligned}

この問題で使う考え方

  • 不定積分
  • 定積分
  • 対数とその性質
  • 三角・指数・対数関数等の積分
  • 不定積分・定積分の性質
  • 数列の極限
  • 等比数列の一般項と和

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