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$\int_{-\infty}^{\infty}\frac{\mathrm{d}x}{ax^2+bx+c}=\pi$ identidades similares

Recientemente he encontrado que $$\int_{-\infty}^{\infty}\frac{\mathrm{d}x}{ax^2+bx+c}=\pi$$ el fib $$b^2-4ac=-4$$ He encontrado mediante la integración de $$I=\int_{-\infty}^{\infty}\frac{\mathrm{d}x}{ax^2+bx+c}$$ Si el recíproco de la función es la de ser integrado a través de toda la línea real, entonces la función no tiene ceros. Esto implica que $$b^2-4ac<0$$ Con esto en mente, hemos completar el cuadrado: $$I=\int_{-\infty}^{\infty}\frac{\mathrm{d}x}{a(x+\frac{b}{2a})^2+c-\frac{b^2}{4a}}$$ A continuación, ajuste de $g=c-\frac{b^2}{4a}$, e $x+\frac{b}{2a}=\sqrt{\frac{g}{a}}\tan u$, $$I=\sqrt{\frac{g}{a}}\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\frac{\sec^2u\ \mathrm{d}u}{g\tan^2u+g}=\frac{\pi}{\sqrt{ag}}$$ Así que nuestra identidad se mantiene para $$ag=1$$ Y con un poco de álgebra, $$b^2-4ac=-4$$

Así que mi pregunta es, ¿hay alguna otra similar identidades que involucran a otros famosos constantes? Saludos!

6voto

Skinner927 Puntos 106

En primer lugar, si consideramos la integral:

\begin{equation} I(a) = \int_{-\infty}^{\infty}\frac{1}{x^2 + a^2}\:dx = \frac{\pi}{a} \end{equation}

A continuación, podemos ver:

\begin{equation} I(a) + cI(b) = \left[\int_{-\infty}^{\infty}\frac{1}{x^2 + a^2}\:dx + c\int_{-\infty}^{\infty}\frac{1}{x^2 + b^2}\:dx \right] = \frac{\pi}{a} + c\frac{\pi}{b} = \pi\left[\frac{1}{a} + c\frac{1}{b} \right] \end{equation}

Podemos ver que esto puede ser ampliado a cualquier número de $I(a)$ términos y cualquier secuencia de $c_i$ los valores, es decir,

\begin{equation} \sum_{i = 1}^{\infty} (-1)^{i + 1} \frac{1}{i + 1}I(i) = \pi \sum_{i = 1}^{\infty} \frac{(-1)^{i + 1}}{i + 1} = \pi\ln(2) \end{equation}

Por lo tanto,

\begin{equation} \sum_{i = 1}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} \frac{(-1)^{i + 1}}{x^2 + \left(i + 1\right)^2} \:dx = \pi \sum_{i = 1}^{\infty} \frac{(-1)^{i + 1}}{i + 1} = \pi\ln(2) \end{equation}

O, como otro ejemplo,

\begin{equation} \sum_{i = 1}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{x^2 + i^4} \:dx = \frac{ \pi^3}{6} \end{equation}

Lo que es aún mejor (en mi opinión) es que podemos tomar cada integral hablado y aplicar (a través de Glasser Maestro Teorema)

$$x = t - \sum_{i = 1}^{n - 1}\frac{\left| d_{i}\right|}{ t - e_{i}}$$

Donde $d_i, e_i \in \mathbb{R}$ e $n \in N$ que el valor de las integrales permanecen sin cambios!!

Como una adición a la ejemplo:

\begin{equation} \sum_{i = 1}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} \frac{(-1)^{i + 1}}{x^2 + \left(i + 1\right)^2} \:dx = \pi \sum_{i = 1}^{\infty} \frac{(-1)^{i + 1}}{i + 1} = \pi\ln(2) \end{equation}

Si llamamos a esta integral como abordado aquí vemos que

\begin{equation} 2\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{x}{\tan(x)} \:dx = 2\sum_{i = 1}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} \frac{(-1)^{i + 1}}{x^2 + \left(i + 1\right)^2} \:dx =\pi\ln(2) \end{equation}

O, \begin{equation} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{x}{\tan(x)} \:dx = \sum_{i = 1}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} \frac{(-1)^{i + 1}}{x^2 + \left(i + 1\right)^2} \:dx = \frac{\pi\ln(2)}{2} \end{equation}

4voto

Tim Almond Puntos 1887

No estoy seguro de si este ejemplo es lo suficientemente interesante como para ser una respuesta, porque se puede conseguir cualquier resultado que usted desea con diferentes linealmente independientes opciones de el integrando, por lo que si se pulsa voy a convertir en un comentario.

Como ya se ha dicho aquí antes, cualquier $f$ analítica en la unidad de disco en $\Bbb C$ satisface $$\int_0^{2\pi}\Re f(e^{i\phi})d\phi=2\pi\Re f(0),$$que pueden ser utilizadas para conseguir un gran aspecto integrante de expresión para cualquier valor real. He diseñado deliberadamente no muy complicado ejemplos (así que esperemos que he cometido errores en mi aritmética mental).

Para asegurar que la integral es igual a algunos $k>0$ elegir$$f(z):=\exp\frac{\ln\frac{k}{2\pi}}{1+z/2},$$and multiply this choice of $f$ by $z$ or $z-1$ to get $k$ instead. If you try this as an exercise, you'll find for $k\ne 1$ the real integral you obtain is pretty gnarly (though nowhere near as much as it could be with some other choice of $f$), which is deliberate. If you want a far-from-obvious expression for $1$ that follows the same way, try $$f(z)=\exp\frac{z-2\ln 2\pi}{z+2}$$en su lugar.

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