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  • 一个arctan积分的两种解法

    [Largeint_{0}^{1}frac{arctan x}{sqrt{1-x^{2}}}mathrm{d}x ]


    (Largemathbf{Solution:})
    首先第一种做法,含参积分.不多说直接上图


    第二种方法则是利用级数,易知

    [egin{align*} int_{0}^{1}frac{arctan x}{sqrt{1-x^{2}}}mathrm{d}x&=int_0^{pi/2}arctan(sin(x))\,mathrm{d}x\&=sum_{k=0}^inftyfrac{(-1)^k}{2k+1}int_0^{pi/2}sin^{2k+1}(x)\,mathrm{d}x\ &=sum_{k=0}^inftyfrac{(-1)^k}{2k+1}frac{2^k\,k!}{(2k+1)!!}\ &=sum_{k=0}^inftyfrac{(-1)^k}{(2k+1)^2}frac{4^k}{displaystyleinom{2k}{k}} end{align*}]

    下面来解决最后一个级数,利用Beta函数我们可以得到以下等式

    [frac1{displaystyleinom{2n}{n}}=(2n+1)int_0^1t^n(1-t)^nmathrm{d}t ]

    所以

    [egin{align*} sum_{n=0}^inftyfrac{(-4)^nx^{2n}}{(2n+1)displaystyleinom{2n}{n}} &=int_0^1frac1{1+4x^2t(1-t)}mathrm{d}t\ &=int_0^1frac1{1+x^2-x^2(2t-1)^2}mathrm{d}t\ &=frac1{1+x^2}int_0^1frac1{1-dfrac{x^2}{1+x^2}(2t-1)^2}mathrm{d}t\ &=frac1{1+x^2}int_{-1}^1frac1{1-dfrac{x^2}{1+x^2}t^2}frac12mathrm{d}t\ &=frac1{2xsqrt{1+x^2}}int_{-x/sqrt{1+x^2}}^{x/sqrt{1+x^2}}frac1{1-t^2}mathrm{d}t\ &=frac1{xsqrt{1+x^2}}mathrm{arctanh}left(frac{x}{sqrt{1+x^2}} ight)\ &=frac1{xsqrt{1+x^2}}mathrm{arcsinh}(x) end{align*}]

    两边积分可以得到

    [egin{align*} sum_{n=0}^inftyfrac{(-4)^n}{(2n+1)^2displaystyle inom{2n}{n}} &=int_0^1frac1{xsqrt{1+x^2}}mathrm{arcsinh}(x)\,mathrm{d}x\ &=-int_0^1mathrm{arcsinh}(x)frac1{sqrt{vphantom{ig|}1+1/x^2}}mathrm{d}frac1x\ &=-int_0^1mathrm{arcsinh}(x)\,mathrm{d}\,mathrm{arcsinh}left(frac1x ight)\ &=-\,mathrm{arcsinh}^2(1)+int_0^1mathrm{arcsinh}left(frac1x ight)\,mathrm{d}\,mathrm{arcsinh}(x)\ &=-\,mathrm{arcsinh}^2(1)-int_1^inftymathrm{arcsinh}(x)\,mathrm{d}\,mathrm{arcsinh}left(frac1x ight)\ &=-\,mathrm{arcsinh}^2(1)+int_1^inftyfrac1{xsqrt{1+x^2}}mathrm{arcsinh}(x)\,mathrm{d}x\ &=-frac12\,mathrm{arcsinh}^2(1)+frac12int_0^inftyfrac1{xsqrt{1+x^2}}mathrm{arcsinh}(x)\,mathrm{d}x\ &=-frac12\,mathrm{arcsinh}^2(1)+frac12int_0^inftyfrac{t\,mathrm{d}t}{sinh(t)} end{align*}]

    其中

    [int_0^inftyfrac{t\,mathrm{dt}}{sinh(t)}=int_0^inftysum_{k=0}^infty2t\,e^{-(2k+1)t}\,mathrm{d}t=sum_{k=0}^inftyfrac2{(2k+1)^2}=frac{pi^2}4 ]

    所以

    [color{red}{sum_{n=0}^inftyfrac{(-4)^n}{(2n+1)^2displaystyle inom{2n}{n}}=frac{pi^2}8-frac12mathrm{arcsinh}^2(1)} ]

    [Largeoxed{displaystyle int_{0}^{1}frac{arctan x}{sqrt{1-x^{2}}}\, mathrm{d}x=color{blue}{frac{pi^2}8-frac12mathrm{arcsinh}^2(1)}} ]

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/Renascence-5/p/5438434.html
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