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Integral compleja sobre un círculo usando la fórmula de Cauchy

Tengo que integrar la función compleja $$ \frac{e^z-1}{z^5} $$ sobre la curva $\gamma(t)=1+re^{-5it}$ donde $t \in [0,2\pi]$. La curva tiene número de vueltas -5 con respecto a un punto dentro del disco cuya frontera es $\gamma$. Intenté aplicar la fórmula de Cauchy para obtener (caso $r>1$) $$ -5\cdot \frac{2\pi i}{4!} (e^z-1)^{(4)}|_{z=0} = \frac{-5\pi i}{12} . $$

Pregunta 1: ¿es válido ese razonamiento?

Pregunta 2: en el caso $r<1$, dado que la función es holomorfa sobre la curva $\gamma$, ¿podemos usar el teorema de Cauchy para afirmar que $$ \int_\gamma \frac{e^z-1}{z^5}\, dz = 0 \quad \text{?} $$ Pregunta 3: ¿cómo tratar el caso $r=1$?

3voto

Romulo Ceccon Puntos 188

La integral no se puede evaluar en el sentido usual cuando $r=1$ ya que hay un polo de orden $4$ en el contorno (en el origen). Recuerda que la prueba $p$ dice que solo se pueden integrar polos de orden $<1$.

El método usual para "asignar un valor" a integrales divergentes como esta es el método del valor principal de Cauchy, que en este caso se vería así

$$ \begin{align*} &\text{PV} \oint_\gamma \frac{e^z-1}{z^5}\,dz \\ &\qquad = -5 \cdot \lim_{\epsilon \to 0^+} \left[ \int_0^{\pi-\epsilon}\frac{\exp\left(1+e^{it}\right)-1}{\left(1+e^{it}\right)^5}\,ie^{it}\,dt + \int_{\pi+\epsilon}^{2\pi} \frac{\exp\left(1+e^{it}\right)-1}{\left(1+e^{it}\right)^5}\,ie^{it}\,dt \right]. \end{align*} $$

Aquí he parametrizado el círculo como $z = 1+e^{it}$ pero eliminé el arco del círculo de longitud $2\epsilon$ que pasa por el polo en $z=0$, como en la imagen de abajo.

enter image description here

Sin embargo, el orden par del polo presenta un problema. A medida que $\epsilon \to 0$ estaremos acercándonos al polo a lo largo de trayectorias tangentes al eje imaginario, y a lo largo de este eje la parte real del integrando es par:

$$ \operatorname{Re}\left[\frac{e^{iy}-1}{(iy)^5}\right] = \frac{\sin y}{y^5}. $$

Esta es la gráfica de esto:

enter image description here

Por lo tanto, como

$$ \lim_{y \to 0} \frac{\sin y}{y^5} = \infty, $$

no ocurrirá ninguna cancelación al calcular el valor principal y el resultado cuando $\epsilon \to 0$ será $\infty$.

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