به محفل ریاضی ایرانیان خوش آمدید! لطفا برای استفاده از تمامی امکانات عضو شوید
+1 امتیاز
24 بازدید
در دانشگاه توسط mansour (784 امتیاز)

نشان دهید: $ \int _ {- \frac{ \pi }{4} } ^ { \frac{ \pi }{4} } ( \frac{ sin^{2n-1}x + cos^{2n-1} x}{ sin^{2n}x + cos^{2n} x} )^{2}dx= \frac{(2n-1) \pi }{2 n^{2}sin( \frac{ \pi }{2n} ) }, \forall n \succeq 1 $

1 پاسخ

0 امتیاز
توسط قاسم شبرنگ (4,161 امتیاز)

تعریف کنید:

$$f_n:=( \frac{sin^{2n-1}x+cos^{2n-1}x}{sin^{2n}x+cos^{2n}x} )^2$$

و انتگرال فوق را $I_n$ بنامید. حالا توجه کنید که:

$$\int_a^bf(x)dx=\int_a^bf(a+b-x)dx$$

بنابر این:

$$I_n= \int_\frac{-\pi}{4} ^ \frac{\pi}{4} f_n(x)dx= \int_\frac{-\pi}{4} ^ \frac{\pi}{4} f_n(-x)dx$$

$$ \Rightarrow 2I_n=\int_\frac{-\pi}{4} ^ \frac{\pi}{4}(f_n(x)+f(-x))dx=2\int_\frac{-\pi}{4} ^ \frac{\pi}{4} \frac{sin^{4n-2}x+cos^{4n-2}x}{(sin^{2n}x+cos^{2n}x)^2}dx$$

حالا با تغیر متغیر $z:=tanx$ داریم:

$$I_n=\int_{-1}^1 \frac{z^{4n-2}+1}{(1+z^{2n})^2}dz=2\int_0^1 \frac{z^{4n-2}+1}{(1+z^{2n})^2}dz$$

بار دیگر با تغییر متغیر $t:=\frac{1}{x} $ داریم:

$$\int_0^1 \frac{z^{4n-2}+1}{(1+z^{2n})^2}dz=\int_1^ \infty \frac{t^{4n-2}+1}{(1+t^{2n})^2}dt$$

بنابر این داریم:

$$2I_n=I_n+I_n=\int_0^1 \frac{z^{4n-2}+1}{(1+z^{2n})^2}dz+\int_1^ \infty \frac{t^{4n-2}+1}{(1+t^{2n})^2}dt$$

$$=\int_0^ \infty \frac{z^{4n-2}+1}{(1+z^{2n})^2}dz$$

$$=\int_0^ \infty \frac{z^{4n-2}}{(1+z^{2n})^2}dz+\int_0^ \infty \frac{1}{(1+z^{2n})^2}dz$$

حالا اگر تغییر متغیر $u:=z^{2n}$ را بکار ببریم داریم:

$$z=u^ \frac{1}{2n} \Rightarrow dz=\frac{1}{2n}u^{\frac{1}{2n}-1}$$

$$ \Rightarrow 2I_n= \frac{1}{2n} (\int_0^ \infty \frac{u^{(2-\frac{1}{2n})-1}}{(1+u)^{(2- \frac{1}{2n})+( \frac{1}{2n} )}}dz+\int_0^ \infty \frac{u^{(\frac{1}{2n})-1}}{(1+u)^{(\frac{1}{2n})+(2-\frac{1}{2n} )}}dz)$$

$$= \frac{1}{2n}(B(2- \frac{1}{2n}, \frac{1}{2n} )+B( \frac{1}{2n} ,2- \frac{1}{2n} )) = \frac{1}{n}B(2- \frac{1}{2n}, \frac{1}{2n})$$

$$= \frac{ \Gamma (2- \frac{1}{2n} ) \Gamma ( \frac{1}{2n} )}{ \Gamma (2- \frac{1}{2n} + \frac{1}{2n})}=\Gamma (2- \frac{1}{2n} ) \Gamma ( \frac{1}{2n} )$$

$$=(1- \frac{1}{2n} )\Gamma (1- \frac{1}{2n} ) \Gamma ( \frac{1}{2n} )=(1- \frac{1}{2n} ) \frac{\pi}{sin( \frac{\pi}{2n} )} $$

$$ \Rightarrow I_n= \frac{(2n-1)\pi}{2n^2sin( \frac{\pi}{2n} )}$$

$\Box$

جایی را به من بدهید تا بر آن بایستم و ببینید که من زمین را تکان خواهم داد.
...