Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan)

 

0.1Bearbeiten
{\displaystyle \int _{0}^{\pi }x\,\tan x\,dx=-\pi \,\log 2}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan)
Beweis

Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan)
Setzt man {\displaystyle f(z)=z\,\tan z}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan), so ist

{\displaystyle \int _{C_{\varepsilon }}f\,dz+\int _{K_{\varepsilon }}f\,dz+\int _{D_{\varepsilon }}f\,dz+\int _{\gamma _{N}}f\,dz+\int _{\sigma _{N}}f\,dz+\int _{\delta _{N}}f\,dz=\oint f\,dz=0}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan).

Nun ist {\displaystyle \lim _{\varepsilon \to 0+}\int _{C_{\varepsilon }}f\,dz+\int _{D_{\varepsilon }}f\,dz={\text{p.V.}}\int _{0}^{\pi }x\,\tan x\,dx}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan)

und {\displaystyle \lim _{\varepsilon \to 0+}\int _{K_{\varepsilon }}f\,dz=-i\pi \,{\text{res}}\left(f,{\frac {\pi }{2}}\right)={\frac {i\pi ^{2}}{2}}}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan).

Und aus {\displaystyle \int _{\gamma _{N}}f\,dz+\int _{\delta _{N}}f\,dz=\int _{0}^{N}f(\pi +iy)\,i\,dy-\int _{0}^{N}f(iy)\,i\,dy=-\pi \int _{0}^{N}\tanh y\,dy=-\pi \log(\cosh N)}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan)

und {\displaystyle \int _{\sigma _{N}}f\,dz=-\int _{0}^{\pi }f(x+iN)\,dx=\pi \log(2\cosh N)-{\frac {i\pi ^{2}}{2}}}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan)

folgt {\displaystyle \int _{\gamma _{N}}f\,dz+\int _{\sigma _{N}}f\,dz+\int _{\delta _{N}}f\,dz=\pi \log 2-{\frac {i\pi ^{2}}{2}}}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan).

Also ist {\displaystyle {\text{p.V.}}\int _{0}^{\pi }x\,\tan x\,dx+\pi \log 2=0}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan).

 
0.2Bearbeiten
{\displaystyle \int _{0}^{\frac {\pi }{4}}\log(1+\tan x)\,dx={\frac {\pi }{8}}\log 2}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan)
Beweis

Wegen {\displaystyle 1+\tan x={\frac {\cos x+\sin x}{\cos x}}={\frac {{\sqrt {2}}\cos \left({\frac {\pi }{4}}-x\right)}{\cos x}}}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan)

ist {\displaystyle \log(1+\tan x)={\frac {1}{2}}\log 2+\log \cos \left({\frac {\pi }{4}}-x\right)-\log(\cos x)}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan).

Da nach Substitution {\displaystyle x\mapsto {\frac {\pi }{4}}-x}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan)

{\displaystyle \int _{0}^{\frac {\pi }{4}}\log \cos \left({\frac {\pi }{4}}-x\right)\,dx=\int _{0}^{\frac {\pi }{4}}\log(\cos x)\,dx}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan) ist,

ist das gesuchte Integral {\displaystyle \int _{0}^{\frac {\pi }{4}}{\frac {1}{2}}\log 2\,dx={\frac {\pi }{8}}\,\log 2}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan) .

 
1.1Bearbeiten
{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }{\frac {\tan \alpha x}{x}}\,dx=\pi \qquad \alpha >0}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan)
Beweis

Nach der Formel von Lobatschewski ist {\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }1\cdot {\frac {\tan x}{x}}\,dx=\int _{0}^{\pi }1\,dx=\pi }Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan).

Substituiert man {\displaystyle x\to \alpha x\,}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan), so erhält man die behauptete Formel.

 
1.2Bearbeiten
{\displaystyle \int _{0}^{\frac {\pi }{2}}{\frac {1}{1+\tan ^{\alpha }x}}\,dx={\frac {\pi }{4}}\qquad \alpha \in \mathbb {C} \setminus i\mathbb {R} ^{\times }}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan)
Beweis

Für {\displaystyle \alpha \in \mathbb {C} \setminus i\mathbb {R} ^{\times }}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan) sei {\displaystyle I(\alpha )=\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}{\frac {1}{1+\tan ^{\alpha }x}}\,dx}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan).

Nach Substitution {\displaystyle x\mapsto {\frac {\pi }{2}}-x}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan) ist {\displaystyle I(\alpha )=\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}{\frac {1}{1+\cot ^{\alpha }x}}\,dx=\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}{\frac {\tan ^{\alpha }x}{1+\tan ^{\alpha }x}}\,dx}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan).

Addiert man die verschiedenen Darstellungen von {\displaystyle I(\alpha )\,}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan), so ist {\displaystyle 2I(\alpha )=\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}{\frac {1+\tan ^{\alpha }x}{1+\tan ^{\alpha }x}}\,dx={\frac {\pi }{2}}}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan).

Unabhängig von {\displaystyle \alpha \,}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan) gilt also {\displaystyle I(\alpha )={\frac {\pi }{4}}}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan).

 
1.3Bearbeiten
{\displaystyle \int _{0}^{\frac {\pi }{2}}\tan ^{2\alpha -1}\,x\;dx={\frac {\pi }{2\sin \alpha \pi }}\qquad 0<{\text{Re}}(\alpha )<1}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan)
Beweis

Verwende die Formel

{\displaystyle 2\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}\sin ^{2\alpha -1}x\,\cos ^{2\beta -1}x\,dx={\frac {\Gamma (\alpha )\,\Gamma (\beta )}{\Gamma (\alpha +\beta )}}\qquad {\text{Re}}(\alpha ),{\text{Re}}(\beta )>0}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan).

Ist {\displaystyle 0<{\text{Re}}(\alpha )<1\,}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan) und setzt man {\displaystyle \beta =1-\alpha \,}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan), so ist auch {\displaystyle 0<{\text{Re}}(\beta )<1\,}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan).

Also ist {\displaystyle 2\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}\tan ^{2\alpha -1}x\;dx=\Gamma (\alpha )\,\Gamma (1-\alpha )}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan).

Und das ist {\displaystyle {\frac {\pi }{\sin \alpha \pi }}}Formelsammlung Mathematik: Bestimmte Integrale: Form R(x,tan) nach dem Eulerschen Ergänzungssatz.

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