スワン彗星 その6

(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^k)を調べた。
(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^k)を求める
(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^3)を求める
(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^2)を求める



2008/8/17           <(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^k)を求める>

 ここでは(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^k) の積分表示を求めたい。次のものである。

 (-1)!!/(0!!・1^k) + 1!!/(2!!・3^k) + 3!!/(4!!・5^k) + ・・・      ----@

フーリエシステムを用いて、k=2,3の場合を求めることにする。その際、フーリエ級数の公式

  煤o(2n-1)!!/(2n)!!}sin(2n+1)x=sin(x/2+π/4)/√(2sinx)       (0 < x < π)
  
  煤o(2n-1)!!/((2n+1)(2n)!!)}cos(2n+1)x=arcsin(cos(x/2)-sin(x/2))     (0 <=x<=π)

を(他の公式とともに)利用することになる。
なお、!!記号は、(2n)!!=2n(2n-2)・・4・2, (2n-1)!!=(2n-1)(2n-3)(2n-5)・・3・1である。また0!!=(-1)!!=1。
arcsinは、アークsinである。

まず k=3の
 (-1)!!/(0!!・1^3) + 1!!/(2!!・3^3) + 3!!/(4!!・5^3) + ・・・
から求めよう。



2008/8/17              <(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^3)を求める>

 (-1)!!/(0!!・1^3) + 1!!/(2!!・3^3) + 3!!/(4!!・5^3) + ・・・      ----@
の積分表示を導出する。

[(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^3)導出]
 @の形から、関数(コサイン級数)
 f(x)=cosx・(-1)!!/(0!!・1^3) + cos3x・1!!/(2!!・3^3) + cos5x・3!!/(4!!・5^3) + ・・・      ----A
を考える。周期は2πである。
フーリエ級数の直交性を用いて、
(-1)!!/(0!!・1^3)=(2/π)∫(0〜π) f(x)・cosx dx
 1!!/(2!!・3^3)=(2/π)∫(0〜π) f(x)・cos3x dx
 3!!/(4!!・5^3)=(2/π)∫(0〜π) f(x)・cos5x dx
   ・
   ・
これらの右辺を部分積分する。f(x)はAであるから、簡単な計算から次となる。
(-1)!!/(0!!・1^3)=(2/π)∫(0〜π) (sinx・(-1)!!/(0!!・1^2) + sin3x・1!!/(2!!・3^2) + sin5x・3!!/(4!!・5^2) + ・・・)(sinx/1) dx
 1!!/(2!!・3^3)=(2/π)∫(0〜π) (sinx・(-1)!!/(0!!・1^2) + sin3x・1!!/(2!!・3^2) + sin5x・3!!/(4!!・5^2) + ・・・)(sin3x/3) dx
 3!!/(4!!・5^3)=(2/π)∫(0〜π) (sinx・(-1)!!/(0!!・1^2) + sin3x・1!!/(2!!・3^2) + sin5x・3!!/(4!!・5^2) + ・・・)(sin5x/5) dx
   ・
   ・
これらを縦に足し合わせて

(-1)!!/(0!!・1^3) + 1!!/(2!!・3^3) + 3!!/(4!!・5^3) + ・・・
=(2/π)∫(0〜π) (sinx・(-1)!!/(0!!・1^2) + sin3x・1!!/(2!!・3^2) + sin5x・3!!/(4!!・5^2) + ・・・)(sinx/1+sin3x/3+・・) dx

 Sin-Cos移動の法則より(右辺を部分積分して)

(-1)!!/(0!!・1^3) + 1!!/(2!!・3^3) + 3!!/(4!!・5^3) + ・・・
=(2/π)∫(0〜π) (cosx・(-1)!!/(0!!・1) + cos3x・1!!/(2!!・3) + cos5x・3!!/(4!!・5) + ・・・)(cosx/1^2+cos3x/3^2+・・) dx  --B

 ここでフーリエ級数の公式
  煤o(2n-1)!!/((2n+1)(2n)!!)}cos(2n+1)x=arcsin(cos(x/2)-sin(x/2))     (0 <=x<=π)
  cosx/1^2 + cos3x/3^2 + cos5x/5^2 + ・・=π(π-2x)/8           (0 <=x<=π)
をBに代入して、整理すると、

 (-1)!!/(0!!・1^3) + 1!!/(2!!・3^3) + 3!!/(4!!・5^3) + ・・・=∫(0〜π) (π/4-x/2)arcsin(cos(x/2)-sin(x/2)) dx     ----C
となる。
 左辺の積分表示が求まった。
[終わり]

Cの検証においては左辺のExcel数値計算の結果と、右辺の定積分の値が一致することで確認した。(その際、定積分
を計算できるフリーの計算ソフトBearGraphを用いた)

(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^3)導出

(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^3)型cos級数から導出

 (-1)!!/(0!!・1^3) + 1!!/(2!!・3^3) + 3!!/(4!!・5^3) + ・・・=∫(0〜π) (π/4-x/2)arcsin(cos(x/2)-sin(x/2)) dx  




2008/8/17              <(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^2)を求める>

次にk=2の場合、つまり
 (-1)!!/(0!!・1^2) + 1!!/(2!!・3^2) + 3!!/(4!!・5^2) + ・・・      ----@
の積分表示を導出する。

[(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^2)導出]
 @の形から、関数(サイン級数)
 f(x)=sinx・(-1)!!/(0!!・1^2) + sin3x・1!!/(2!!・3^2) + sin5x・3!!/(4!!・5^2) + ・・・      ----A
を考える。周期は2πである。
フーリエ級数の直交性を用いて、
(-1)!!/(0!!・1^2)=(2/π)∫(0〜π) f(x)・sinx dx
 1!!/(2!!・3^2)=(2/π)∫(0〜π) f(x)・sin3x dx
 3!!/(4!!・5^2)=(2/π)∫(0〜π) f(x)・sin5x dx
   ・
   ・
これらの右辺を部分積分する。f(x)はAであるから、簡単な計算から次となる。
(-1)!!/(0!!・1^2)=(2/π)∫(0〜π) (cosx・(-1)!!/(0!!・1) + cos3x・1!!/(2!!・3) + cos5x・3!!/(4!!・5) + ・・・)(cosx/1) dx
 1!!/(2!!・3^2)=(2/π)∫(0〜π) (cosx・(-1)!!/(0!!・1) + cos3x・1!!/(2!!・3) + cos5x・3!!/(4!!・5) + ・・・)(cos3x/3) dx
 3!!/(4!!・5^2)=(2/π)∫(0〜π) (cosx・(-1)!!/(0!!・1) + cos3x・1!!/(2!!・3) + cos5x・3!!/(4!!・5) + ・・・)(cos5x/5) dx
   ・
   ・
これらを縦に足し合わせて

(-1)!!/(0!!・1^2) + 1!!/(2!!・3^2) + 3!!/(4!!・5^2) + ・・・
=(2/π)∫(0〜π) (cosx・(-1)!!/(0!!・1) + cos3x・1!!/(2!!・3) + cos5x・3!!/(4!!・5) + ・・・)(cosx/1+cos3x/3+・・) dx   ---B

 ここでフーリエ級数の公式
  煤o(2n-1)!!/((2n+1)(2n)!!)}cos(2n+1)x=arcsin(cos(x/2)-sin(x/2))     (0 <=x<=π)
  cosx/1 + cos3x/3 + cos5x/5 + ・・=(1/2)log|cot(x/2)|          (0 < x <2π,xはπでない)
をBに代入して、整理すると、

 (-1)!!/(0!!・1^2) + 1!!/(2!!・3^2) + 3!!/(4!!・5^2) + ・・・
              =(1/π)∫(0〜π) arcsin(cos(x/2)-sin(x/2))・log|cot(x/2)|dx     ----C
となる。
 左辺の積分表示が求まった。
[終わり]

 一つ上の結果と合わせて、まとめる。

(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^2)導出

(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^2)型sin級数から導出

 (-1)!!/(0!!・1^2) + 1!!/(2!!・3^2) + 3!!/(4!!・5^2) + ・・・=(1/π)∫(0〜π) arcsin(cos(x/2)-sin(x/2))・log|cot(x/2)|dx


(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^3)導出

(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^3)型cos級数から導出

 (-1)!!/(0!!・1^3) + 1!!/(2!!・3^3) + 3!!/(4!!・5^3) + ・・・=∫(0〜π) (π/4-x/2)arcsin(cos(x/2)-sin(x/2)) dx  


 この結果から、偶数ゼータζ(2n)の性質を引き継いでいるのは^3の方であり、上方の^2は奇数ゼータζ(2n+1)の性質
をもつと考えられる。
 事実、(2n-1)!!/((2n)!!・(2n+1)^4)を求めようとすると、非常な困難に見舞われる。





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