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Calcular $I_m = \int_{-\infty}^\infty \frac{dx}{1+x+x^2+\cdots+x^{2m}}$ usando variables complejas

He venido en cuanto a deducir que el denominador puede ser escrito como una serie geométrica. Por lo tanto, para $m=2$,\begin{align} \int_{-\infty}^\infty \frac{1-x}{1-x^5} dx &= 2 \pi i ( B_1 + B2 ) - \int{C_R} \frac{1-z}{1-z^5} dz \ &= 2 \pi i \left( \frac{1 - \exp(i \frac{2 \pi}{5})}{-5 \exp(i\frac{8 \pi}{5})} + \frac{1 - \exp(i \frac{4 \pi}{5})}{-5 \exp(i\frac{16 \pi}{5})} \right) - 0\ &\overset{}{=} \frac{\pi}{5} \cot\left( \frac{\pi}{10} \right) \sec \left( \frac{\pi}{5} \right). \end{align*} donde $B_1$ y $B_2$ denotan los residuos en el plano de la mitad superior.

Sin embargo, no puedo resolver por qué debe mantener la igualdad $\overset{*}{=}$. Estoy seguro de que es el resultado de alguna manipulación inteligente pero he mirando en él durante un rato sin mucho progreso. ¿Está mal mi solución?

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Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\ángulos}[1]{\left\langle\, nº 1 \,\right\rangle} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\, nº 1 \,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\, nº 1 \,\right\rbrack} \newcommand{\ceil}[1]{\,\left\lceil\, nº 1 \,\right\rceil\,} \newcommand{\dd}{{\rm d}} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\dsc}[1]{\displaystyle{\color{red}{#1}}} \newcommand{\expo}[1]{\,{\rm e}^{#1}\,} \newcommand{\fermi}{\,{\rm f}} \newcommand{\piso}[1]{\,\left\lfloor #1 \right\rfloor\,} \newcommand{\mitad}{{1 \over 2}} \newcommand{\ic}{{\rm i}} \newcommand{\iff}{\Longleftrightarrow} \newcommand{\imp}{\Longrightarrow} \newcommand{\Li}[1]{\,{\rm Li}_{#1}} \newcommand{\norm}[1]{\left\vert\left\vert\, nº 1\,\right\vert\right\vert} \newcommand{\pars}[1]{\left (\, nº 1 \,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\pp}{{\cal P}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\vphantom{\large Un}\,#2\,}\,} \newcommand{\sech}{\,{\rm sech}} \newcommand{\sgn}{\,{\rm sgn}} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{{\rm d}^{#1} #2}{{\rm d} #3^{#1}}} \newcommand{\ul}[1]{\underline{#1}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\, nº 1 \,\right\vert}$ \begin{align}&\color{#66f}{\large\int_{-\infty}^{\infty} {\dd x \over 1 + x + x^{2} + \cdots + x^{2m}}} =\int_{-\infty}^{\infty}{1 - x \over 1 - x^{2m + 1}}\,\dd x \\[5mm]&=\int_{0}^{\infty} \pars{{1 - x \over 1 - x^{2m + 1}} + {1 + x \over 1 + x^{2m + 1}}}\,\dd x =2\int_{0}^{\infty}{1 - x^{2m + 2} \over 1 - x^{4m + 2}}\,\dd x \\[5mm]&=2\bracks{\int_{0}^{1}{1 - x^{2m + 2} \over 1 - x^{4m + 2}}\,\dd x + \int_{1}^{0}{1 - x^{-2m - 2} \over 1 - x^{-4m - 2}} \,\pars{-\,{\dd x \over x^{2}}}} \\[5mm]&=2\bracks{\int_{0}^{1}{1 - x^{2m + 2} \over 1 - x^{4m + 2}}\,\dd x + \int_{0}^{1}{x^{2m - 2} - x^{4m} \over 1 - x^{4m + 2}}\,\dd x} \\[5mm]&=2\bracks{\int_{0}^{1}{1 - x^{2m + 2} \over 1 - x^{4m + 2}}\,\dd x + \int_{0}^{1}{1 - x^{4m} \over 1 - x^{4m + 2}}\,\dd x - \int_{0}^{1}{1 - x^{2m - 2} \over 1 - x^{4m + 2}}\,\dd x}\tag{1} \end{align}

Sin embargo, \begin{align}&\dsc{\int_{0}^{1}{1 - x^{\mu} \over 1 - x^{\nu}}\,\dd x} =\int_{0}^{1}{1 - x^{\mu/\nu} \over 1 - x}\,{1 \over \nu}\,x^{1/\nu - 1}\dd x ={1 \over \nu}\int_{0}^{1}{x^{1/\nu - 1} - x^{\pars{\mu - \nu + 1}/\nu} \over 1 - x}\,\dd x \\[5mm]&={1 \over \nu}\bracks{% \int_{0}^{1}{1 - x^{\pars{\mu - \nu + 1}/\nu} \over 1 - x}\,\dd x -\int_{0}^{1}{1 - x^{1/\nu - 1} \over 1 - x}\,\dd x} \\[5mm]&={1 \over \nu}\braces{\Psi\pars{1 + {\mu - \nu + 1 \over \nu}} -\Psi\pars{1 + \bracks{{1 \over \nu} - 1}}} =\dsc{{1 \over \nu}\bracks{\Psi\pars{\mu + 1 \over \nu} -\Psi\pars{1 \over \nu}}} \end{align} donde $\ds{\Psi}$ es la Digamma Función.

La expresión de $\pars{1}$ se reduce a: \begin{align}&\color{#66f}{\large\int_{-\infty}^{\infty} {\dd x \over 1 + x + x^{2} + \cdots + x^{2m}}} \\[5mm]&={1 \over 2m + 1}\braces{% \bracks{\Psi\pars{2m + 3 \over 4m + 2} -\Psi\pars{2m - 1 \over 4m + 2}}+ \bracks{\Psi\pars{4m + 1 \over 4m + 2} - \Psi\pars{1 \over 4m + 2}}} \end{align}

Con Euler Reflexión Fórmula $\ds{\Psi\pars{1 - z} - \Psi\pars{z} = \pi\cot\pars{\pi z}}$:

\begin{align}&\color{#66f}{\large\int_{-\infty}^{\infty} {\dd x \over 1 + x + x^{2} + \cdots + x^{2m}}} ={\pi \over 2m + 1}\bracks{% \cot\pars{{2m - 1 \over 4m + 2}\,\pi} + \cot\pars{{1 \over 4m + 2}\,\pi}} \\[5mm]&=\color{#66f}{\large{\pi \over 2m + 1}\bracks{\cot\pars{\pi \over 4m + 2} + \tan\pars{\pi \over 2m + 1}}}\,,\qquad m = 1,2,3,\ldots \end{align}

Para $\ds{m = 2}$ el resultado es: $$ {\pi \sobre 5}\bracks{\cuna\pars{\pi \más de 10} + \tan\pars{\pi \sobre 5}} ={\raíz{10 + 2\raíz{5}} \over 5}\,\pi \aprox {\tt 2.3903} $$

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Raclette Puntos 580

Parece que hay un pequeño error en el último paso, de lo contrario su solución es perfecta.

Tienes que \begin{align} 2\pi i \left(\frac{1-e^{i2\pi/5}}{-5e^{i8\pi/5}}+ \frac{1-e^{i4\pi/5}}{-5e^{i16\pi/5}} \right) & = -\frac{2\pi i}{5}\left(e^{-i8\pi/5} - e^{-i6\pi/5} + e^{-i16\pi/5} - e^{-i12\pi/5}\right)\\ & = -\frac{2\pi i}{5}\left(e^{i2\pi/5} - e^{i4\pi/5} + e^{i4\pi/5} - e^{-i2\pi/5}\right)\\ & = \frac{4\pi}{5}\frac{e^{i2\pi/5} - e^{-i2\pi/5}}{2i}\\ & = \frac{4\pi}{5} \sin\left(\frac{2\pi}5\right). \end {align}

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