Question Number 145318 by ZiYangLee last updated on 04/Jul/21
$$\mathrm{Let}\:{f}:\left[\mathrm{0},\mathrm{1}\right]\rightarrow\mathbb{R}\:\mathrm{be}\:\mathrm{a}\:\mathrm{differentiable}\:\mathrm{function} \\ $$$$\mathrm{such}\:\mathrm{that}\:{f}\left({f}\left({x}\right)\right)={x}\:\mathrm{for}\:\mathrm{all}\:{x}\in\left[\mathrm{0},\mathrm{1}\right]\:\mathrm{and} \\ $$$${f}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{1}. \\ $$$$\mathrm{If}\:{n}\:\mathrm{is}\:\mathrm{a}\:\mathrm{positive}\:\mathrm{integer},\:\mathrm{evaluate}\:\mathrm{the} \\ $$$$\mathrm{following}\:\mathrm{integral}:\: \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \left({x}−{f}\left({x}\right)\right)^{\mathrm{2}{n}} \:{dx} \\ $$
Answered by mindispower last updated on 04/Jul/21
$${fdifferntiabl}\Rightarrow{f}\:{continus} \\ $$$${f}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{1},{f}\left({f}\left(\mathrm{0}\right)\right)=\mathrm{0}\Rightarrow{f}\left(\mathrm{1}\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow\left[\mathrm{0},\mathrm{1}\right]\subset{f}\left[\mathrm{0},\mathrm{1}\right] \\ $$$${f}\mid\left[\mathrm{0},\mathrm{1}\right]\rightarrow\left[\mathrm{0},\mathrm{1}\right]\:{is}\:{bijective}\: \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left({x}−{f}\left({x}\right)\right)^{\mathrm{2}{n}} {dx},{x}={f}\left({t}\right) \\ $$$$\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{0}} \left({f}\left({t}\right)−{t}\right)^{\mathrm{2}{n}} {f}'\left({t}\right){dt} \\ $$$$=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left(\left({f}\left({t}\right)−{t}\right)\right)^{\mathrm{2}{n}} {f}'\left({t}\right){dt} \\ $$$$\mathrm{2}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left({x}−{f}\left({x}\right)\right)^{\mathrm{2}{n}} {dx}=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left({x}−{f}\left({x}\right)\right)^{\mathrm{2}{n}} {dx}−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left({x}−{f}\left({x}\right)\right)^{\mathrm{2}{n}} {f}'\left({x}\right){dx} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left({x}−{f}\left({x}\right)\right)^{\mathrm{2}{n}} \left(\mathrm{1}−{f}'\left({x}\right)\right){dx} \\ $$$$=\left[\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\left({x}−{f}\left({x}\right)\right)^{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\left(\left(\mathrm{1}−{f}\left(\mathrm{1}\right)\right)^{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} +{f}\left(\mathrm{0}\right)^{\mathrm{2}{n}+\mathrm{2}} \right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\Rightarrow\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left({x}−{f}\left({x}\right)\right)^{\mathrm{2}{n}} {dx}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \\ $$$${exemple}\:{of}\:{such}\:{function} \\ $$$${x}\rightarrow\mathrm{1}−{x} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left({x}−{f}\left({x}\right)\right)^{\mathrm{2}{n}} {dx}=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}{n}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)}\left[\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$