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■31070 / inTopicNo.1)  次の広義積分が収束するようpとqを定めよ
  
□投稿者/ kana 一般人(3回)-(2008/01/29(Tue) 03:17:01)
    こんにちは。お世話になってます。

    下記の問題なのです。

    [問]次の広義積分が収束するようpとqを定めよ。
    (1) ∫[2 to ∞]x^p(ln(x))^qdx (ln(x)は底がeの対数)
    (2) ∫[0 to ∞]x^p(ln(1+x))^qdx

    で困ってます。どのようにしてpとqを求めればいいのでしょうか?
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■31075 / inTopicNo.2)  Re[1]: 次の広義積分が収束するようpとqを定めよ
□投稿者/ サボテン 軍団(124回)-(2008/01/29(Tue) 09:58:10)
    あまり数学的に厳密な議論ではないですが、方針を

    1)∫[2 to ∞]x^p(ln(x))^qdx
    をx=e^tと変数変換すると、

    ∫[ln2 to ∞]e^[(p+1)t]t^qdt

    これは∞での振る舞いが重要になります。p+1<0とすればeが負で効いてくるので、
    積分は収束します。よってp<-1

    2)∫[0 to ∞]x^p(ln(1+x))^qdx
    1+x=e^tと変数変換すると、
     
     ∫[0 to ∞](e^t-1)^p・e^t・t^qdt
     まず∞での被積分関数の振る舞いは〜e^[(p+1)t]t^qとなるので、1)と同様p<-1
    0での被積分関数の振る舞いは〜t^(p+q)となるので、p+q<-1
    よってp<-1かつp+q<-1
     となります。

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■31097 / inTopicNo.3)  Re[2]: 次の広義積分が収束するようpとqを定めよ
□投稿者/ kana 一般人(4回)-(2008/01/30(Wed) 09:12:15)
    大変有難うございます。とても参考になっています。


    > あまり数学的に厳密な議論ではないですが、方針を
    > 1)∫[2 to ∞]x^p(ln(x))^qdx
    > をx=e^tと変数変換すると、
    > ∫[ln2 to ∞]e^[(p+1)t]t^qdt
    > これは∞での振る舞いが重要になります。
    > p+1<0とすればeが負で効いてくるので、

    lim[t→∞]e^[(p+1)t]t^qではなく,積分ですよね。
    負が効いてくるとはどういう意味でしょうか?


    > 積分は収束します。よってp<-1
    > 2)∫[0 to ∞]x^p(ln(1+x))^qdx
    > 1+x=e^tと変数変換すると、
    >  ∫[0 to ∞](e^t-1)^p・e^t・t^qdt
    >  まず∞での被積分関数の振る舞いは〜e^[(p+1)t]t^qとなるので、

    「〜」は同じくらいの極限という意味ですね。
    確かに(e^t-1)^p・e^t・t^q〜e^[(p+1)t]t^qですね。

    > 1)と同様p<-1
    > 0での被積分関数の振る舞いは〜t^(p+q)となるので、p+q<-1
    > よってp<-1かつp+q<-1
    >  となります。

    t→0に連れてe^t→1ですから(e^t-1)^p・e^t・t^q〜t^pですよね。
    これからどうしてt^p〜t^(p+q)が言えるのでしょうか?
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■31102 / inTopicNo.4)  Re[3]: 次の広義積分が収束するようpとqを定めよ
□投稿者/ サボテン 軍団(127回)-(2008/01/30(Wed) 15:03:37)
    まず一箇所訂正があります。
    最後の答えですが、p+q>-1の間違いです。すみませんでした。

    >負が効いてくるとはどういう意味でしょうか?

    e^(-at) a>0 という関数はt^pに比べてt→∞で極めて早く0に収束します。
    よってeの肩が負になればtのベキ乗があろうが関係なく0に収束すると言う意味です。

    >t→0に連れてe^t→1ですから(e^t-1)^p・e^t・t^q〜t^pですよね

    違います。t→0に連れてe^t→1なので、e^t-1〜tとなり、(e^t-1)^p・e^t・t^q〜
    t^(p+q)となります。
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■31212 / inTopicNo.5)  Re[4]: 次の広義積分が収束するようpとqを定めよ
□投稿者/ kana 一般人(7回)-(2008/02/03(Sun) 11:00:41)
    遅くなりまして申し訳有りません。ご解説大変有難うございます。


    > まず一箇所訂正があります。
    > 最後の答えですが、p+q>-1の間違いです。すみませんでした。

    了解です。。


    >>負が効いてくるとはどういう意味でしょうか?
    > e^(-at) a>0 という関数はt^pに比べてt→∞で
    > 極めて早く0に収束します。
    > よってeの肩が負になればtのベキ乗があろうが関係なく0に
    > 収束すると言う意味です。

    これは納得ですが今は積分の極限を求めようとしているのですよね。
    ∫[2 to ∞]x^p(ln(x))^qdx=∫[ln2 to ∞]e^(p+1)t・t^qdt=lim[c→∞]∫[ln2 to c]e^(p+1)t・t^qdtですよね。
    ここでp<-1ならlim[t→∞]e^(p+1)・t^q=0だからといって
    lim[c→∞]∫[ln2 to c]e^(p+1)t・t^qdtが収束するとどうして言えちゃうのでしょうか?


    >>t→0に連れてe^t→1ですから(e^t-1)^p・e^t・t^q〜t^pですよね
    > 違います。t→0に連れてe^t→1なので、e^t-1〜tとなり、
    > (e^t-1)^p・e^t・t^q〜> t^(p+q)となります。

    訂正有難うございます。納得です。
    これも∫[∞ to 0]x^p・(ln(1+x))^pdx=∫[0 to ∞](e^t-1)・e^t・t^pdt
    〜∫[0 to ∞]t^(p+q)dt=lim[c→∞]∫[0 to c]t^(p+q)dt
    =lim[c→∞][t^(p+q+1)/(p+q+1)]^c_0=lim[c→∞]c^(p+q+1)/(p+q+1)
    =1/(p+q+1)lim[c→∞]c^(p+q+1)と最終的に変形されますよね。
    p<-1且つp+q>-1ならどうして1/(p+q+1)lim[c→∞]c^(p+q+1)が収束するといえるのでしょうか?
    p=-2,q=4の時は1/(p+q+1)lim[c→∞]c^(p+q+1)は発散すると思うのですが、、
    p+q<-1の時に1/(p+q+1)lim[c→∞]c^(p+q+1)は収束すると思います。
    もしかして私勘違いしておりますでしょうか?
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■31235 / inTopicNo.6)  Re[5]: 次の広義積分が収束するようpとqを定めよ
□投稿者/ サボテン 軍団(131回)-(2008/02/04(Mon) 09:51:41)
    2008/02/04(Mon) 10:22:19 編集(投稿者)

    >lim[c→∞]∫[ln2 to c]e^(p+1)t・t^qdtが収束するとどうして言えちゃうのでしょう>か?

    q<0でしたら、e^[(p+1)t]t^q<e^[(p+1)t]なので、右辺は積分すると収束することから
    左辺も収束します。

    q>0でしたら、適当な正の整数nをとって、
    e^[(p+1)t]t^q<e^[(p+1)t]t^nとできます。右辺の0から∞の積分はΓ(n+1)/(-p-1)^n=n!/(-p-1)^nに
    収束するので、左辺も収束します。よって収束します。
    (もしΓ関数についてお詳しいのであれば、整数で抑える必要はなくqのまま議論できます)

    >∫[0 to ∞](e^t-1)・e^t・t^pdt
    >〜∫[0 to ∞]t^(p+q)dt=lim[c→∞]∫[0 to c]t^(p+q)dt

    この変形には気をつけて下さい。あくまでtが0付近のときだけこの変形が可能です。tが∞に近い時は別の振る舞いをします。だから0付近と∞付近で場合分けをしたのです。


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■31375 / inTopicNo.7)  Re[6]: 次の広義積分が収束するようpとqを定めよ
□投稿者/ kana 一般人(8回)-(2008/02/11(Mon) 02:02:01)
    うーん何となく分かってきました。暫らく考えてみたいと思います。

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