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Transformación de una integral trigonométrica en una integral de contorno

Estoy preparando un examen de análisis complejo, y me he encontrado con un ejemplo de examen especialmente duro (al menos, a mí me lo parece) de utilizar la integración de contornos para realizar una integral de una función construida a partir de cosenos.

La primera parte de la pregunta es utilizar el teorema del residuo de Cauchy para encontrar el valor de

$\int_\gamma \frac{1}{z^2 - 4z + 3} dz$ ,

donde $\gamma$ es el contorno circular de radio 2 orientado positivamente, introducido en el origen.

La parte difícil de la pregunta es usar lo anterior para evaluar la integral

$\int_{\theta=0}^{2\pi} \frac{2 - \cos\theta}{5 - 4\cos\theta} d\theta$ .

Comienzo escribiendo los cosenos en forma exponencial compleja. La cuestión se reduce básicamente a manipular el $\theta$ integral para que parezca

$A \int_{\theta=0}^{2\pi} \frac{2ie^{i \theta}}{(2 e^{i \theta})^2 - 4 (2 e^{i \theta}) + 3} d\theta$ ,

donde $A$ es alguna constante, ya que puedo utilizar directamente el primer resultado. Sin embargo, no veo cómo manipular la integral en esta forma. ¿Alguien puede ayudar a arrojar algo de luz sobre esto? En particular, estoy buscando procesos de pensamiento útiles y reglas empíricas para ayudar con tales manipulaciones, en lugar de la respuesta. Gracias.

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rae306 Puntos 4523

Dejemos que $I=\int_0^{2\pi} \frac{2-\cos\theta}{5-4\cos\theta}\,d\theta$ . Utilizando la sustitución $z=2e^{i\theta}$ entonces $d\theta=\frac{dz}{iz}$ . Tenemos $$\cos\theta=\frac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2}=\frac{2e^{i\theta}+4\cdot \frac12 e^{-i\theta}}{4}=\frac{z+4/z}{4}.$$

Ahora tenemos la siguiente integral de contorno:

$$ \begin{align*}I=\int_{C(0,2)^+} \frac{2-\frac{z+4/z}{4}}{5-4\cdot\frac{z+4/z}{4}}\frac{dz}{iz} &=\int_{C(0,2)^+} \left(\frac14+\frac{3/4}{5-(z+4/z)}\right)\frac{dz}{iz} \\ &= \frac{1}{4i}\int_{C(0,2)^+}\frac1z\,dz+\frac{3}{4i}\int_{C(0,2)^+}\frac{1}{5-z-4/z}\frac1z\,dz \\ &=\frac{1}{4i}\cdot 2\pi i -\frac{3}{4i}\int_{C(0,2)^+}\frac{1}{z^2-5z+4}\,dz. \end{align*} $$

¿Puede continuar?

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