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La integración de alrededor de un hueso de perro de contorno

Demostrar que

$$\int^{1}_{0} \sqrt{x}\sqrt{1-x}\,dx = \frac{\pi}{8}$$

$$\textit{proof}$$

Considere la función

$$f(z) = \sqrt{z-z^2} = e^{\frac{1}{2}\log(z-z^2)}$$

Considere la posibilidad de la rama de corte en el eje x $$x(1-x)\geq 0\,\, \implies \, 0\leq x \leq 1 $$

Considere la posibilidad de $ w= z-z^2 $

$$\log(w) = \log|w|+i\theta,\,\, \theta\in[0,2\pi)$$

Considerar el contorno

enter image description here Considere la integral

$$\int_{c_0}f(z)\,dz+\int_{c_1}f(z)\,dz+\int^{1-\epsilon}_{\epsilon} e^{\frac{1}{2}\log|x-x^2|}\,dx-\int^{1-\epsilon}_{\epsilon} e^{\frac{1}{2}\log|x-x^2| +\pi i}\,dx = 2\pi i \mathrm{Res}(f,\infty)$$

Considere la posibilidad de la expansión de Laurent

$$\sqrt{z-z^2} =i \sqrt{z^2} \sqrt{1-\frac{1}{z}}= iz\sum_{k=0}^\infty{\frac{1}{2} \choose k} \left(-\frac{1}{z} \right)^k$$

Por lo tanto, tenemos que deuce

$$ \mathrm{Res}(f,\infty) = -\frac{i}{8}$$

Que implica

$$\int_{c_0}f(z)\,dz+\int_{c_1}f(z)\,dz+2\int^{1-\epsilon}_{\epsilon} \sqrt{x}\sqrt{1-x}\,dx = \frac{\pi}{4}$$

Teniendo en cuenta las integrales de los contornos alrededor de $c_0$ $c_1$ ir a cero . Finalmente llegamos

$$\int^{1}_{0} \sqrt{x}\sqrt{1-x}\,dx = \frac{\pi}{8}$$


Pregunta

Tengo mis dudas acerca de la expansión al infinito

$$\sqrt{z-z^2} =i \sqrt{z^2} \sqrt{1-\frac{1}{z}}= iz\sum_{k=0}^\infty{\frac{1}{2} \choose k} \left(-\frac{1}{z} \right)^k$$

Primero, estoy asumiendo que $\sqrt{z^2} = z$, lo que parece ser el mal en la rama elegida corte. También es erróneo suponer que la $\sqrt{zw} = \sqrt{z}\sqrt{w}$.

10voto

Dr. MV Puntos 34555

Hay un error conceptual en la OP.

Tenga en cuenta que si $w=z(1-z)$, entonces la condición de $\arg(w)\in[0,2\pi)$ restringe el dominio de la compleja $z$ plano a la mitad de espacio.

Para ver esto, escribimos $z=|z|e^{i\arg(z)}$$1-z=|1-z|e^{i\arg(1-z)}$, de modo que $w=|z||1-z|e^{i\left(\arg(z)+\arg(1-z)\right)}$.

En cuanto a $\arg(z)+\arg(1-z)$ abarca un rango de $4\pi$ en el complejo de $z$-plano, a continuación, $\arg(w)$ lo hace igualmente.


Para abordar las preocupaciones en la OP en detalle, comenzamos con una breve introducción.

IMPRIMACIÓN:

El complejo logaritmo $\log(z)$ está definido por $z\ne 0$

$$\log(z)=\log(|z|)+i\arg(z) \tag 1$$

Es fácil demostrar que el complejo logaritmo satisface

$$\log(z_1z_2)=\log(z_1)+\log(z_2) \tag 2$$

lo que significa que cualquier valor de $\log(z_1z_2)$ puede ser expresado como la suma de un cierto valor de $\log(z_1)$ y un cierto valor de $\log(z_2)$.

A ver que $(2)$ es cierto que, simplemente, nos tenga en cuenta que$\log(|z_1||z_2|)=\log(|z_1|)+\log(z_2)$$\arg(z_1z_2)=\arg(z_1)+\arg(z_2)$.


NOTA: La relación en $(2)$ no está satisfecho en general cuando el logaritmo es restringido en, digamos, el director de la sucursal para que $\arg(z)=\text{Arg}(z)$ donde $-\pi<\text{Arg}\le \pi$.


El uso de $(2)$, podemos escribir para $z\ne0$, $z\ne 1$

$$\begin{align} f(z)&=\sqrt{z(1-z)}\\\\ &=e^{\frac12 \log(z(1-z))}\\\\ &=e^{\frac12 \left(\log(z)+\log(1-z)\right)}\\\\ &=e^{\frac12\log(z)}e^{\frac12\log(1-z)}\\\\ &=\sqrt{z}\sqrt{1-z} \end{align}$$


LA SELECCIÓN DE UNA RAMA DE $\displaystyle \sqrt{z(1-z)}$

Para obtener una rama específica de la $\sqrt{z(1-z)}$, podemos utilizar una rama de $\sqrt{z}$ y otra rama de $\sqrt{1-z}$.

Si seleccionamos las ramas de $\sqrt{z}$ $\sqrt{1-z}$ a ser tal que $-\pi<\arg(z)\le \pi$$0<\arg(1-z)\le 2\pi$, luego la rama de $\sqrt{z(1-z)}$ es tal que

$$\sqrt{z(1-z)}=\sqrt{|z||1-z|}e^{i\frac12 (\arg(z)+\arg(1-z))}$$

con $-\pi<\arg(z)+\arg(1-z)\le 3\pi$.

Con esta elección, es sencillo demostrar que $\sqrt{z(1-z)}$ es analítica en $\mathbb{C}\setminus [0,1]$.


LA EVALUACIÓN DE LA INTEGRAL

Entonces, podemos escribir

$$\begin{align} \oint_C \sqrt{z(1-z)}\,dz&=\int_0^1 \sqrt{x(1-x)}e^{i(0+2\pi)}\,dx+\int_1^0\sqrt{x(1-x)}e^{i(0+0)}\,dx\\\\ &=-2\int_0^1 \sqrt{x(1-x)}\,dx \tag 3 \end{align}$$


NOTA: Nos omite la consideración de las contribuciones a la integral de la circular deformaciones alrededor de los puntos de ramificación ya que sus contribuciones vansish en el límite como los radios va a cero.


El uso de Cauchy de la Integral Teorema, el valor de la integral de la $\oint_C \sqrt{z(1-z)}\,dz$ es modificado por la deformación de $C$ en un contorno circular, con centro en el origen, de radio, $R>1$. Por lo tanto, la explotación de la analiticidad de $\sqrt{z(1-z)}$$R>1$, tenemos

$$\begin{align} \oint_C \sqrt{z(1-z)}\,dz&=\oint_{R>1}\sqrt{z(1-z)}\,dz\\\\ &=\int_{-\pi}^{\pi}\sqrt{Re^{i\phi}(1-Re^{i\phi})}\,iRe^{i\phi}\,d\phi\\\\ &=\int_{-\pi}^{\pi}\sqrt{Re^{i\phi}(1-Re^{i\phi})}\,iRe^{i\phi}\,d\phi\\\\ &=\int_{-\pi}^{\pi} \left(iRe^{i\phi}\right)^2 \left(1-\frac{1}{Re^{i\phi}}\right)^{1/2}\,d\phi\\\\ &=\int_{-\pi}^{\pi} \left(iRe^{i\phi}\right)^2 \left(1-\frac{1/2}{Re^{i\phi}}-\frac{1/8}{(Re^{i\phi})^2}-\frac{1/16}{(Re^{i\phi})^3}+O\left(\frac1{(Re^{i\phi})^4}\right)\right)\,d\phi\\\\ &\to -\frac{\pi}{4}\,\,\text{as}\,\,R\to \infty \tag 4 \end{align}$$

Finalmente, armando $(3)$ $(4)$ rendimientos

$$\int_0^1 \sqrt{x(1-x)}\,dx=\frac{\pi}{8}$$

como era de esperar.


NOTA: La expansión que lleva a $(4)$ es correcto dado el elegido ramas de $\sqrt{z}$$\sqrt{1-z}$. A continuación,

$$\begin{align} \sqrt{z(1-z)}&=\sqrt{-z^2\left(1-\frac1z\right)}\\\\ &=e^{\frac12\log(-z^2)+\frac12\log\left(1-\frac1z\right)}\\\\ &=iz \sqrt{1-\frac1z} \end{align}$$

donde se utilizó $\log(-1)=i\pi$$\log(z^2)=2\log(z)$. Luego, en el aumento del $\sqrt{1-\frac1z}$ en su Laurent de la serie en el espacio anular $1<z<\infty$, y el establecimiento $z=Re^{i\phi}$, obtenemos la expansión que se usa para llegar a $(4)$.

3voto

Marko Riedel Puntos 19255

Podemos utilizar el método de la siguiente MSE enlace para el residuo en el infinito. La introducción y la continuidad del argumento puede ser copiado, y no se repetirán aquí. Utilizamos

$$f(z) = \exp(1/2\times \mathrm{su sistema loga}(z)) \exp(1/2\times \mathrm{LogB}(1-z))$$

con los dos logaritmos define como el vinculado a la post. Tenga en cuenta que esta no es la elección de Mathematica o Maple hace, pero la consistencia es suficiente aquí y podemos re-utilizar un examinada la computación.

La diferencia es que tenemos $f(z)\sim z$ al infinito por lo tanto necesitamos determinar los coeficientes de $z,$ el coeficiente constante y la uno en $1/z.$ Hay menos trabajo en el vinculado a la computación porque la función era la $\sim 1/z$ en el infinito.

Utilizamos $f(z)/z^2$ para el primero y poner $z = R\exp(i\theta).$ Ahora el módulo de $\mathrm{LogA}(z)$ $\log R.$ obtenemos el módulo de de $\mathrm{LogB}(1-z)$

$$\log\sqrt{(1-R\cos(\theta))^2 + R^2\sin(\theta)^2} \\ = \log\sqrt{1-2R\cos(\theta) + R^2}.$$

Somos la manipulación de los logaritmos de los números reales positivos mediante el real logaritmo y se puede continuar con

$$\log R + \log\sqrt{1-2\cos(\theta)/R+1/R^2}.$$

Utilizando el líder plazo y el método desde el enlace de inmediato nos obtenga $f(z) \sim -iz.$ Para el coeficiente constante utilizamos $(f(z)+iz)/z.$ Hemos

$$\exp\left(\frac{1}{2}\log\sqrt{1-2\cos(\theta)/R+1/R^2}\right) = \sqrt[4]{1-2\cos(\theta)/R+1/R^2} \\ = 1 - \frac{1}{4} (2\cos(\theta)/R-1/R^2) - \frac{3}{32} (2\cos(\theta)/R-1/R^2)^2 -\cdots \\ = 1 - \frac{1}{2}\cos(\theta)\frac{1}{R} + \left(1/4 - \frac{3}{8}\cos(\theta)^2\right)\frac{1}{R^2} - \cdots$$

También tenemos

$$\arctan\left(\frac{-I\sin(\theta)}{1-R\cos(\theta)}\right) = \arctan\left(\frac{-\sin(\theta)}{1/R-\cos(\theta)}\right) \\ = \theta + \sin(\theta)\frac{1}{R} + \sin(\theta)\cos(\theta)\frac{1}{R^2} + \cdots$$

de manera que este hecho tiene en todas partes mientras $\theta$ partidos el rango de $\arg\mathrm{LogB}$)

$$\exp\left(\frac{1}{2}i\arg\mathrm{LogB(1-z)}\right) \\ = \exp\left(\frac{1}{2}\theta\right) \left(1 + \frac{1}{2}\sin(\theta)\frac{1}{R} + \frac{1}{2}\sin(\theta)\cos(\theta)\frac{1}{R^2} - \frac{1}{8} \sin(\theta)^2\frac{1}{R^2} + \cdots\right).$$

Añadir en $iz$ cancela la contribución de los primeros términos de estas dos expansiones. Podemos obtener a partir del segundo semestre y la recolección de la las contribuciones de la mitad inferior y superior del plano

$$\int_0^{2\pi} \frac{1}{R\exp(i\theta)} \exp(\log R) \exp(i\theta+\pi i/2) \\ \times \left(\frac{1}{2}\sin(\theta)\frac{1}{R} -\frac{1}{2}\cos(\theta)\frac{1}{R}\right) Ri\exp(i\theta) \ d\theta \\ = \int_0^{2\pi} \exp(\log R) \exp(i\theta+\pi i/2) i \left(-\frac{1}{2}\exp(-i\theta)\right) \frac{1}{R} \ d\theta \\ = \frac{1}{2} \int_0^{2\pi} \exp(i\theta)\exp(-i\theta) \ d\theta = \pi.$$

para un residuo de $-(\pi)/(2\pi i) = i/2.$ Esto establece $f(z) \sim -iz + i/2.$ We integrate $f(z) + iz - i/2$ para obtener el coeficiente de $1/z$, la obtención de

$$\int_0^{2\pi} \exp(\log R) \exp(i\theta+\pi i/2) \\ \times \frac{1}{R^2} \left(\frac{1}{4}-\frac{3}{8}\cos(\theta)^2 + \frac{1}{2}\sin(\theta)\cos(\theta) - \frac{1}{8} \sin(\theta)^2 -\frac{1}{4}\sin(\theta)\cos(\theta)\right) \\ \times Ri\exp(i\theta) \ d\theta$$

El interior término es

$$\frac{1}{8} - \frac{1}{4}\cos(\theta)^2 + \frac{1}{8}i\sin(2\theta) = - \frac{1}{8}\cos(2\theta) + \frac{1}{8}i\sin(2\theta) = - \frac{1}{8}\exp(-2i\theta).$$

que sale de la integral

$$\frac{1}{8} \int_0^{2\pi} \exp(2i\theta)\exp(-2i\theta) \; d\theta = \frac{\pi}{4}.$$

Tenemos el residuo $-(\pi/4)/(2\pi i) = i/8.$ Hemos establecido que en el infinito,

$$\bbox[5px,border:2px solid #00A000]{ f(z) \sim -iz + \frac{1}{2} + \frac{1}{8} i \frac{1}{z}}$$

y, por tanto, $\mathrm{Res}_{z=\infty} f(z) = \frac{1}{8} i.$ Teniendo en cuenta que el contorno se utiliza con esta rama produce el doble de la el valor de la integral obtenemos

$$\frac{1}{2} \times -2\pi i \times \frac{1}{8} i$$

que es

$$\bbox[5px,border:2px solid #00A000]{ \frac{\pi}{8}.}$$

0voto

user43400 Puntos 66

1) Cuando ha $\sqrt{z^2}$, técnicamente tenemos $(e^{i\pi}z)^2$ por la rama a cortar, pero obviamente que anula a $z.$

2) También el dado suposición es válida aquí, debido a la expansión que ha sido elegido; el "círculo" de la radio de convergencia para z en $\sqrt{1-\frac{1}{z}}$ contiene $\infty$ (ya que la zona de convergencia está realmente fuera del círculo aquí).

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