18 votos

Cálculo de la integral definida con postes en 0 y $\pm i\sqrt{3}$

$$\int_0^\infty \frac{\sin(2\pi x)}{x(x^{2}+3)}$$

Miré a $\frac{e^{2\pi i z}}{z^{3}+3z}$, también calcula los residuos, pero no me la respuesta correcta. Yo que $\int_{-\infty}^\infty f(z)dz = 2\pi i (\sum \operatorname{Res} z_{r}) + \pi i Res_{0}$, pero mi respuesta resulta mal cuando con wolframalpha.

Residuo $0$ $1$, $z=\sqrt{3}i$ es $-\frac{e^{-2\pi}}{2}$...

En un intento peor olvidaba $2\pi$ y $z$ solamente (es decir, $\frac{e^{iz}}{z^{3}+3z}$) y el resultado fue un poco más, pero faltaba un factor de 2 y y $i$.

¿Cualquier persona puede ver la manera correcta? Por favor Dile.

31voto

psychotik Puntos 171

Podemos hacer el siguiente lema:

Lema. Supongamos $f(z)$ es holomorphic cerca de $z = z_0$. Fix $\theta_0 \in (0, 2\pi)$. Si $\gamma_{\epsilon}$ denota un sentido antihorario orientada al arco de ángulo de $\theta_0$ sobre el círculo de radio $\epsilon$ centrada en $z_0$, luego $$ \lim_{\epsilon\to0} \int_{\gamma_{\epsilon}} \frac{f(\zeta)}{\zeta-z_0}\;d\zeta=i\theta_0 f(z_0).$$

Prueba. Por la sustitución de $\zeta = z_0 + \epsilon e^{i\theta}$, tenemos $$\begin{align*} \left| \int_{\gamma_{\epsilon}} \frac{f(\zeta)}{\zeta-z_0}\;d\zeta - i\theta_0 f(z_0)\right| &= \left| i \int_{\theta_1}^{\theta_1+\theta_0} f(z_0 + \epsilon e^{i\theta})\;d\theta - i\theta_0 f(z_0)\right| \\ & \leq \int_{\theta_1}^{\theta_1+\theta_0} \left| f(z_0 + \epsilon e^{i\theta}) - f(z_0) \right| \;d\theta, \end{align*}$$ en el que claramente se va a cero cuando se $\epsilon \to 0$.

Como corolario, si $f(z)$ tiene una simple poste de $z = z_0$, a continuación, con la misma notación como en el Lema, tenemos

$$ \lim_{\epsilon\to0} \int_{\gamma_{\epsilon}} f(\zeta) \;d\zeta=i\theta_0 \mathrm{Res} \{ f(z), z_0 \}.$$

Ahora vamos a $C$ ser la parte superior de contorno semicircular de radio $R \gg 1$ con una pequeña semicircular guión de radio $\epsilon \ll 1$, en el origen. Vamos a escribir $C$ $$ C = \Gamma_{R} + L_{\epsilon,R} - \gamma_{\epsilon},$$ donde $\Gamma_R$ $\gamma_{\epsilon}$ denotar en contra de las manecillas orientada a los arcos correspondientes para el círculo exterior y el interior del círculo de $C$, respectivamente, y $L_{\epsilon,R}$ denotar el resto de la unión de dos líneas en $C \cap \Bbb{R}$. Ahora para

$$ f(z) = \frac{e^{2\pi i z}}{z(z^2 + 3)}, $$

la integral en cuestión, que se denota como $I$, es igual a

$$I = \frac{1}{2i} \lim_{{\epsilon \to 0 \atop R \to \infty}} \int_{L_{\epsilon, R}} f(z) \; dz.$$

Ahora, por Cauchy integración de la fórmula,

$$ \oint_{C} f(z) \; dz = 2\pi i \mathrm{Res} \{ f(z), i\sqrt{3} \}. $$

Esto significa que

$$ \int_{L_{\epsilon, R}} f(z) \; dz = 2\pi i \mathrm{Res} \{ f(z), i\sqrt{3} \} + \int_{\gamma_{\epsilon}} f(z) \; dz - \int_{\Gamma_R} f(z) \; dz. $$

Tomando límite de $\epsilon \to 0$$R \to \infty$, la integral de la $\int_{\Gamma_R} f(z) \; dz$ se desvanece por Jordania lema. Así por nuestro lema,

$$ \lim_{{\epsilon \to 0 \atop R \to \infty}} \int_{L_{\epsilon, R}} f(z) \; dz = 2\pi i \mathrm{Res} \{ f(z), i\sqrt{3} \} + \pi i \mathrm{Res} \{ f(z), 0 \}.$$

Pero ya

$$ \mathrm{Res} \{ f(z), i\sqrt{3} \} = \left. (z-i\sqrt{3})f(z) \right|_{z=i\sqrt{3}} = -\frac{1}{6}e^{-2\pi \sqrt{3}} $$

y

$$ \mathrm{Res} \{ f(z), 0 \} = \left. z f(z) \right|_{z=0} = \frac{1}{3}, $$

tenemos

$$ I = \frac{1}{2i} \left[ 2\pi i \left(-\frac{1}{6}e^{-2\pi \sqrt{3}}\right) + \pi i \left(\frac{1}{3} \right) \right] = \frac{\pi}{6}\left(1 - e^{-2\pi \sqrt{3}} \right). $$

8voto

Anthony Shaw Puntos 858

$$ \begin{align} \int_0^\infty\frac{\sin(2\pi x)}{x(x^2+3)}\,\mathrm{d}x &=\frac12\int_{-\infty}^\infty\frac{\sin(2\pi x)}{x(x^2+3)}\,\mathrm{d}x\tag{1}\\ &=\frac12\int_{i-\infty}^{i+\infty}\frac{\sin(2\pi z)}{z(z^2+3)}\,\mathrm{d}z\tag{2}\\ &=\frac12\int_{i-\infty}^{i+\infty}\frac{e^{i2\pi z}-e^{-i2\pi z}}{2iz(z^2+3)}\,\mathrm{d}z\tag{3}\\ &=\frac1{4i}\int_{\gamma_+}\frac{e^{i2\pi z}}{z(z^2+3)}\mathrm{d}z -\frac1{4i}\int_{\gamma_-}\frac{e^{-i2\pi z}}{z(z^2+3)}\mathrm{d}z\tag{4}\\ &=\frac{2\pi i}{4i}\frac{e^{-2\pi\sqrt3}}{i\sqrt3(i\sqrt3+i\sqrt3)} +\frac{2\pi i}{4i}\left(\frac13+\frac{e^{-2\pi\sqrt3}}{-i\sqrt3(-i\sqrt3-i\sqrt3)}\right)\tag{5}\\ &=\frac\pi6\left(1-e^{-2\pi\sqrt3}\right)\tag{6} \end{align} $$ donde $\gamma_+$ pasa de $i-R$$i+R$, a continuación, círculos de vuelta en sentido antihorario alrededor de la mitad superior del plano -, y donde $\gamma_-$ pasa de $i-R$$i+R$, a continuación, círculos de vuelta en sentido horario alrededor de la mitad inferior del plano -.

$\gamma_+$ contiene la singularidad en $i\sqrt3$.

$\gamma_-$ contiene las singularidades en$0$$-i\sqrt3$.

Explicación de los pasos

$(1)$ integrando es una función par.

$(2)$ no existen singularidades para el integrando en el rectángulo con esquinas $i-R,i+R,R,-R$ y la integral sobre los extremos del rectángulo se desvanece como $R\to\infty$.

$(3)$ escritura $\sin(2\pi z)=\dfrac{e^{i2\pi z}-e^{-i2\pi z}}{2i}$

$(4)$ uso de contornos $\gamma_+$$e^{i2\pi z}$$\gamma_-$$e^{-i2\pi z}$, de modo que el integrando se desvanece en los grandes círculos en la parte superior e inferior de la mitad de los aviones.

$(5)$ el uso de residuos para calcular las integrales sobre $\gamma_+$$\gamma_-$.

$(6)$ simplificación.

5voto

Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\+}{^{\daga}} \newcommand{\ángulos}[1]{\left\langle\, nº 1 \,\right\rangle} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\, nº 1 \,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\, nº 1 \,\right\rbrack} \newcommand{\ceil}[1]{\,\left\lceil\, nº 1 \,\right\rceil\,} \newcommand{\dd}{{\rm d}} \newcommand{\down}{\downarrow} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,{\rm e}^{#1}\,} \newcommand{\fermi}{\,{\rm f}} \newcommand{\piso}[1]{\,\left\lfloor #1 \right\rfloor\,} \newcommand{\mitad}{{1 \over 2}} \newcommand{\ic}{{\rm i}} \newcommand{\iff}{\Longleftrightarrow} \newcommand{\imp}{\Longrightarrow} \newcommand{\isdiv}{\,\left.\a la derecha\vert\,} \newcommand{\cy}[1]{\left\vert #1\right\rangle} \newcommand{\ol}[1]{\overline{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left (\, nº 1 \,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\pp}{{\cal P}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\vphantom{\large Un}\,#2\,}\,} \newcommand{\sech}{\,{\rm sech}} \newcommand{\sgn}{\,{\rm sgn}} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{{\rm d}^{#1} #2}{{\rm d} #3^{#1}}} \newcommand{\ul}[1]{\underline{#1}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\, nº 1 \,\right\vert} \newcommand{\wt}[1]{\widetilde{#1}}$ \begin{align} &\color{#00f}{\large% \int_{0}^{\infty}{\sin\pars{2\pi x} \over x\pars{x^{2} + 3}}\,\dd x}= \half\int_{-\infty}^{\infty}{\sin\pars{2\pi x} \over x\pars{x^{2} + 3}}\,\dd x =\pi\int_{-\infty}^{\infty} {1 \over x^{2} + 3}\,\pars{\half\int_{-1}^{1}\expo{2\pi\ic k x}\,\dd k}\,\dd x \\[3mm]&={\pi \over 2}\int_{-1}^{1}\dd k \int_{-\infty}^{\infty}{\expo{2\pi\ic kx} \over x^{2} + 3}\,\dd x \\[3mm]&={\pi \over 2}\int_{-1}^{1}\bracks{% \Theta\pars{-k}\pars{-2\pi\ic}\, {\expo{2\pi\ic k\pars{-\ic\root{3}}} \over -2\ic\root{3}} +\Theta\pars{k}\pars{2\pi\ic}\, {\expo{2\pi\ic k\pars{\ic\root{3}}} \over 2\ic\root{3}}}\,\dd k \\[3mm]&={\pi \over 2}\int_{-1}^{1}{\pi \over \root{3}}\, \expo{-2\pi\root{3}\verts{k}}\,\dd k ={\root{3} \over 3}\,\pi^{2}\int_{0}^{1}\expo{-2\pi\root{3}k}\,\dd k \\[3mm]&={\root{3} \over 3}\,\pi^{2}\,{\expo{-2\pi\root{3}} - 1 \over -2\pi\root{3}} =\color{#00f}{\large{1 \over 6}\,\pi\pars{1 - \expo{-2\pi\root{3}}}} \end{align}

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