\[\Large\int_{0}^{1}\frac{\arctan x}{\sqrt{1-x^{2}}}\mathrm{d}x\]


\(\Large\mathbf{Solution:}\)
首先第一种做法,含参积分.不多说直接上图


第二种方法则是利用级数,易知
\[\begin{align*}
\int_{0}^{1}\frac{\arctan x}{\sqrt{1-x^{2}}}\mathrm{d}x&=\int_0^{\pi/2}\arctan(\sin(x))\,\mathrm{d}x\\&=\sum_{k=0}^\infty\frac{(-1)^k}{2k+1}\int_0^{\pi/2}\sin^{2k+1}(x)\,\mathrm{d}x\\
&=\sum_{k=0}^\infty\frac{(-1)^k}{2k+1}\frac{2^k\,k!}{(2k+1)!!}\\
&=\sum_{k=0}^\infty\frac{(-1)^k}{(2k+1)^2}\frac{4^k}{\displaystyle\binom{2k}{k}}
\end{align*}\]
下面来解决最后一个级数,利用Beta函数我们可以得到以下等式
\[\frac1{\displaystyle\binom{2n}{n}}=(2n+1)\int_0^1t^n(1-t)^n\mathrm{d}t\]
所以
\[\begin{align*}
\sum_{n=0}^\infty\frac{(-4)^nx^{2n}}{(2n+1)\displaystyle\binom{2n}{n}}
&=\int_0^1\frac1{1+4x^2t(1-t)}\mathrm{d}t\\
&=\int_0^1\frac1{1+x^2-x^2(2t-1)^2}\mathrm{d}t\\
&=\frac1{1+x^2}\int_0^1\frac1{1-\dfrac{x^2}{1+x^2}(2t-1)^2}\mathrm{d}t\\
&=\frac1{1+x^2}\int_{-1}^1\frac1{1-\dfrac{x^2}{1+x^2}t^2}\frac12\mathrm{d}t\\
&=\frac1{2x\sqrt{1+x^2}}\int_{-x/\sqrt{1+x^2}}^{x/\sqrt{1+x^2}}\frac1{1-t^2}\mathrm{d}t\\
&=\frac1{x\sqrt{1+x^2}}\mathrm{arctanh}\left(\frac{x}{\sqrt{1+x^2}}\right)\\
&=\frac1{x\sqrt{1+x^2}}\mathrm{arcsinh}(x)
\end{align*}\]
两边积分可以得到
\[\begin{align*}
\sum_{n=0}^\infty\frac{(-4)^n}{(2n+1)^2\displaystyle \binom{2n}{n}}
&=\int_0^1\frac1{x\sqrt{1+x^2}}\mathrm{arcsinh}(x)\,\mathrm{d}x\\
&=-\int_0^1\mathrm{arcsinh}(x)\frac1{\sqrt{\vphantom{\big|}1+1/x^2}}\mathrm{d}\frac1x\\
&=-\int_0^1\mathrm{arcsinh}(x)\,\mathrm{d}\,\mathrm{arcsinh}\left(\frac1x\right)\\
&=-\,\mathrm{arcsinh}^2(1)+\int_0^1\mathrm{arcsinh}\left(\frac1x\right)\,\mathrm{d}\,\mathrm{arcsinh}(x)\\
&=-\,\mathrm{arcsinh}^2(1)-\int_1^\infty\mathrm{arcsinh}(x)\,\mathrm{d}\,\mathrm{arcsinh}\left(\frac1x\right)\\
&=-\,\mathrm{arcsinh}^2(1)+\int_1^\infty\frac1{x\sqrt{1+x^2}}\mathrm{arcsinh}(x)\,\mathrm{d}x\\
&=-\frac12\,\mathrm{arcsinh}^2(1)+\frac12\int_0^\infty\frac1{x\sqrt{1+x^2}}\mathrm{arcsinh}(x)\,\mathrm{d}x\\
&=-\frac12\,\mathrm{arcsinh}^2(1)+\frac12\int_0^\infty\frac{t\,\mathrm{d}t}{\sinh(t)}
\end{align*}\]
其中
\[\int_0^\infty\frac{t\,\mathrm{dt}}{\sinh(t)}=\int_0^\infty\sum_{k=0}^\infty2t\,e^{-(2k+1)t}\,\mathrm{d}t=\sum_{k=0}^\infty\frac2{(2k+1)^2}=\frac{\pi^2}4\]
所以
\[\color{red}{\sum_{n=0}^\infty\frac{(-4)^n}{(2n+1)^2\displaystyle \binom{2n}{n}}=\frac{\pi^2}8-\frac12\mathrm{arcsinh}^2(1)}\]

\[\Large\boxed{\displaystyle \int_{0}^{1}\frac{\arctan x}{\sqrt{1-x^{2}}}\, \mathrm{d}x=\color{blue}{\frac{\pi^2}8-\frac12\mathrm{arcsinh}^2(1)}}\]

一个arctan积分的两种解法的更多相关文章

  1. Java描述表达式求值的两种解法:双栈结构和二叉树

    Java描述表达式求值的两种解法:双栈结构和二叉树 原题大意:表达式求值 求一个非负整数四则混合运算且含嵌套括号表达式的值.如: # 输入: 1+2*(6/2)-4 # 输出: 3.0 数据保证: 保 ...

  2. 51nod 1165 整边直角三角形的数量(两种解法)

    链接:http://www.51nod.com/Challenge/Problem.html#!#problemId=1165 直角三角形,三条边的长度都是整数.给出周长N,求符合条件的三角形数量. ...

  3. ORACLE 查询一个数据表后通过遍历再插入另一个表中的两种写法

    ORACLE 查询一个数据表后通过遍历再插入另一个表中的两种写法 语法 第一种: 通过使用Oracle语句块  --指定文档所有部门都能查看 declare cursor TABLE_DEPT and ...

  4. 关于Euler-Poisson积分的几种解法

    来源:https://www.cnblogs.com/Renascence-5/p/5432211.html 方法1:因为积分值只与被积函数和积分域有关,与积分变量无关,所以\[I^{2}=\left ...

  5. 一个ListView怎么展示两种样式

    private class MyBaseMsgAdapter extends BaseAdapter { //获取数据适配器中条目类型的总数,修改成两种(纯文本,输入+文字) @Override pu ...

  6. .NET一个线程更新另一个线程的UI(两种实现方法及若干简化)

    Winform中的控件是绑定到特定的线程的(一般是主线程),这意味着从另一个线程更新主线程的控件不能直接调用该控件的成员. 控件绑定到特定的线程这个概念如下: 为了从另一个线程更新主线程的Window ...

  7. Letter Combinations of a Phone Number:深度优先和广度优先两种解法

    Letter Combinations of a Phone Number Given a digit string, return all possible letter combinations ...

  8. leetcode-91-解码方法(动态规划和递归两种解法)

    题目描述: 一条包含字母 A-Z 的消息通过以下方式进行了编码: 'A' -> 1 'B' -> 2 ... 'Z' -> 26 给定一个只包含数字的非空字符串,请计算解码方法的总数 ...

  9. POJ 1157 LITTLE SHOP OF FLOWERS (超级经典dp,两种解法)

    You want to arrange the window of your flower shop in a most pleasant way. You have F bunches of flo ...

随机推荐

  1. VS调试工具

    F5--启动运行,跳到下一个断点 F10--逐步调试 F11--逐句调试 F10和F11的区别: method(); int a = 1; 当程序运行到如上面的method方法时,按F10会直接跳到下 ...

  2. kali 安装google输入法

    脑子一热装了一礼拜的kali,在20多遍的重装后终于成功了 先码一篇如何安装google输入法 首先得更新源,用leafpad /etc/apt/sources.list打开,或vi也可以,更新源百度 ...

  3. win api + 基础乐理产生正弦波声音

    暂时记录. 感觉想写个电子钢琴乐程序了,不过感觉音有点怪怪的. #include <iostream> #include <windows.h> #include <Mm ...

  4. C#对字典Dictionary 的添加,遍历,移除系列操作

    C#对字典Dictionary 的添加,遍历,移除系列操作: //一.创建泛型哈希表,然后加入元素 Dictionary<string, string> oscar = new Dicti ...

  5. linux服务器上部署springboot项目,并让他持续运行到后台

    我们知道在运行springboot 项目只需要java -jar + 项目的war包(jar包)名. 但是只要终端已停止那么服务就会被关闭,也就无法访问到我们的项目了.所以我们可以使用守护进程的方式来 ...

  6. php对字符串的操作2之 处理字符串的内置函数

    1,获取字串:substr($str,$start,$length) mb_substr($str,$start,$length,'utf-8'); 更换为utf8编码,能准确的截取中文 <?p ...

  7. eclipse 添加主題

    在使用Eclipse过程中可能想更换下界面主题,此处介绍的是一款主题插件 Eclipse Color Theme 打开Eclipse,Help --> Eclipse Marketplace 在 ...

  8. 详解多线程MT和多线程MD的区别

    这段时间司在招实习生,而不管是远程的电话面试或者是实际现场面试中领导都喜欢问你这个问题,但是可惜的是能很好答上来的人很少.后来发现不管是应届的实习生,甚至有些实际参加工作几年的人也未必真的了解这个问题 ...

  9. 在spring Boot中使用swagger-bootstrap-ui(原文)

    1.swagger简介 Swagger是一个API接口管理工具,支持在线测试接口数据,根据配置自动生成API文档,结合spring mvc而提供界面化方法文档的一个开源框架. 1.1Swagger主要 ...

  10. 类扩展欧几里得 zquoj 26659

    求该式子,因为只有里面mod  外面没mod: 所以先是把前面的等差数列求和,然后再减去模掉的部分: 这是类欧几里得模板题 #include<bits/stdc++.h> #define ...