与椭圆积分有关的等式证明

(XPS001, 2017年拉丁美洲大学生数学竞赛第7题, Iberoamerican College Math Olympiad 2017, Problem 7)令a<b<c<d为实数,记
f(x)=1|xa||xb||xc||xd|,
求证:
abf(x)dx=cdf(x)dx.

 

(向禹)对于左边式子,令xa=(ba)sin2θ,则有
abf(x)dx=cddx(xa)(bx)(cx)(dx)=20π2dθ(cbsin2θacos2θ)(dbsin2θacos2θ)=20π2d(tanθ)(csec2θbtan2θa)(dsec2θbtan2θa)=20dt(c(1+t2)bt2a)(d(1+t2)bt2a)=20dt((cb)t2+(ca))((db)t2+da)=2(cb)(db)0dt(t2+cacb)(t2+dadb)=2(cb)(db)0π2dφcacbsin2φ+dadbcos2φ   (t=cacbtanφ)=20π2dφ(ca)(db)sin2φ+(cb)(da)cos2φ.

对于右边式子,令xc=(dc)sin2θ,则有
cdf(x)dx=cddx(xa)(xb)(xc)(dx)=20π2dθ(dsin2θ+ccos2θa)(dsin2θ+ccos2θb)=20π2d(tanθ)(dtan2θ+casec2θ)(dtan2θ+cbsec2θ)=20dt(dt2+ca(1+t2))(dt2+cb(1+t2))=20dt((da)t2+(ca))((db)t2+(cb))=2(da)(db)0dt(t2+cada)(t2+cbdb)=2(da)(db)0π2dφcadasin2φ+cbdbcos2φ   (t=cadatanφ)=20π2dφ(ca)(db)sin2φ+(cb)(da)cos2φ=abf(x)dx.

 

(XPS002)设f(x)=(xa)(xb)(xc)(xd),a>b>c>d>0.证明:
\begin{enumerate}
\item ab1f(x)dx=cd1f(x)dx;

\item ab1f(x)dx=2(ac)(bd)F(π2,(ab)(cd)(ac)(bd));

\item ub1f(x)dx=2(ac)(bd)F(arcsin(ac)(ub)(ab)(uc),(ab)(cd)(ac)(bd)),
\end{enumerate}
其中F(φ,k)为第一类不完全椭圆积分(incomplete elliptic integral of the first kind),定义成
F(φ,k)=0φdθ1k2sin2θ.
参考: \url{http://en.wikipedia.org/wiki/Elliptic_integral}

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