(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√|x−a|⋅|x−b|⋅|x−c|⋅|x−d|,
求证:
∫baf(x)dx=∫dcf(x)dx.
(向禹)对于左边式子,令x−a=(b−a)sin2θ,则有
∫baf(x)dx=∫dcdx√(x−a)(b−x)(c−x)(d−x)=2∫π20dθ√(c−bsin2θ−acos2θ)(d−bsin2θ−acos2θ)=2∫π20d(tanθ)√(csec2θ−btan2θ−a)(dsec2θ−btan2θ−a)=2∫∞0dt√(c(1+t2)−bt2−a)(d(1+t2)−bt2−a)=2∫∞0dt√((c−b)t2+(c−a))((d−b)t2+d−a)=2√(c−b)(d−b)∫∞0dt√(t2+c−ac−b)(t2+d−ad−b)=2√(c−b)(d−b)∫π20dφ√c−ac−bsin2φ+d−ad−bcos2φ (t=√c−ac−btanφ)=2∫π20dφ√(c−a)(d−b)sin2φ+(c−b)(d−a)cos2φ.
对于右边式子,令x−c=(d−c)sin2θ,则有
∫dcf(x)dx=∫dcdx√(x−a)(x−b)(x−c)(d−x)=2∫π20dθ√(dsin2θ+ccos2θ−a)(dsin2θ+ccos2θ−b)=2∫π20d(tanθ)√(dtan2θ+c−asec2θ)(dtan2θ+c−bsec2θ)=2∫∞0dt√(dt2+c−a(1+t2))(dt2+c−b(1+t2))=2∫∞0dt√((d−a)t2+(c−a))((d−b)t2+(c−b))=2√(d−a)(d−b)∫∞0dt√(t2+c−ad−a)(t2+c−bd−b)=2√(d−a)(d−b)∫π20dφ√c−ad−asin2φ+c−bd−bcos2φ (t=√c−ad−atanφ)=2∫π20dφ√(c−a)(d−b)sin2φ+(c−b)(d−a)cos2φ=∫baf(x)dx.
(XPS002)设f(x)=(x−a)(x−b)(x−c)(x−d),a>b>c>d>0.证明:
\begin{enumerate}
\item ∫ba1√−f(x)dx=∫dc1√−f(x)dx;
\item ∫ba1√−f(x)dx=−2√(a−c)(b−d)F(π2,√(a−b)(c−d)(a−c)(b−d));
\item ∫bu1√−f(x)dx=−2√(a−c)(b−d)F(arcsin√(a−c)(u−b)(a−b)(u−c),√(a−b)(c−d)(a−c)(b−d)),
\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)=∫φ0dθ√1−k2sin2θ.
参考: \url{http://en.wikipedia.org/wiki/Elliptic_integral}
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