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Calculus · real student question

-pi/4 から 3pi/4 までの 1/(3 cos^3 x + sin 2x + sin^2 x) dx の積分を求めよ。

Question

次を求めよ。∫−π/43π/4dx3cos⁡3x+sin⁡2x+sin⁡2x.\int_{-\pi/4}^{3\pi/4}\frac{dx}{3\cos^3 x+\sin 2x+\sin^2 x}.

Step-by-step solution

  1. 置換を試す前に分母の零点を調べる。 D(x)=3cos⁡3x+sin⁡2x+sin⁡2xD(x) = 3\cos^3x+\sin 2x+\sin^2x とおく。DD が区間の内部で 0 になるなら積分そのものが存在しないので、半角の置換(ワイエルシュトラス置換)を持ち出しても無意味である。

  2. 両端と途中の点で D を評価する。 D ⁣(−π4)=324−12≈0.5607>0D\!\left(-\tfrac{\pi}{4}\right) = \tfrac{3\sqrt2}{4}-\tfrac12 \approx 0.5607>0、D(0)=3>0D(0)=3>0、D ⁣(π2)=0+0+1=1>0D\!\left(\tfrac{\pi}{2}\right) = 0+0+1 = 1>0 であるが、D ⁣(3π4)=−324−12≈−1.5607<0D\!\left(\tfrac{3\pi}{4}\right) = -\tfrac{3\sqrt2}{4}-\tfrac12 \approx -1.5607<0 である。

  3. 中間値の定理を適用する。 DD は連続で π2\tfrac{\pi}{2} と 3π4\tfrac{3\pi}{4} の間で符号を変えるので、その範囲に D(c)=0D(c)=0 となる cc が存在する。数値的には零点はただ 1 つで c≈1.9569768.c \approx 1.9569768. である。したがって被積分関数 1D(x)\tfrac{1}{D(x)} は積分区間の内部に無限大の不連続点をもつ。

  4. その零点が 1 位であることを確かめる。 D′(c)≈−3.3131≠0D'(c) \approx -3.3131 \neq 0 なので、cc の近くではテイラー展開から D(x)≈D′(c)(x−c)D(x) \approx D'(c)(x-c) となり、したがって 1D(x)≈1D′(c)⋅1x−c.\frac{1}{D(x)} \approx \frac{1}{D'(c)}\cdot\frac{1}{x-c}. である。2 位ではなく 1 位の零点であることが、収束にとって最悪の場合にあたる。

  5. 模型となる積分 1/(x − c) と比べる。 ∫dxx−c=ln⁡∣x−c∣\displaystyle\int\frac{dx}{x-c} = \ln|x-c| であり、x→cx\to c のとき −∞-\infty に発散する。両側の広義積分がどちらも発散し、しかも一方は −∞-\infty、他方は +∞+\infty へ発散するので、主値による打ち消しで通常の積分が救われることもない。

  6. 結論する。 積分 ∫−π/43π/4dx3cos⁡3x+sin⁡2x+sin⁡2x\int_{-\pi/4}^{3\pi/4}\frac{dx}{3\cos^3x+\sin 2x+\sin^2x} は発散する。有限の値をもたない。有限になるのは x=cx=c におけるコーシーの主値だけであり、それを求めよという趣旨ならその旨を明示しなければならない。

Answer

The integral diverges (simple pole of the integrand at x≈1.9569768∈[−π4,3π4]).\text{The integral diverges (simple pole of the integrand at } x \approx 1.9569768 \in [-\tfrac{\pi}{4},\tfrac{3\pi}{4}]).

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