19 votos

La integración de $\int_0^\infty\frac{\log (1+z^2)}{e^z-1}dz$ el uso de residuos de cálculo.

He estado mirando cómo integrar la siguiente integral definida utilizando el residuo de cálculo, pero parece que no puede conseguir en mis pensamientos. Sé el $\log$ plazo es una función de varios valores y los puntos de ramificación son $i$, $-i$, y complejo infinito, así que sé que debe haber cortes de ramas de $i$ $-i$ extiende a lo complejo infinito (pienso en esto como en una esfera de Riemann con infinito en el "más" pole " en la esfera."

Debido a esto sé que no se puede usar una simple llave de agujero de contorno porque esto se cruzan estos cortes de ramas. Debe haber cualquier número de contornos yo podría intentar, así que mi pregunta es ¿se conocen útil contornos para tratar con tales integrales? O tal vez el residuo de cálculo es de ninguna ayuda aquí?

$$\int_0^\infty\frac{\log (1+z^2)}{e^z-1}dz.$$

4voto

Roger Hoover Puntos 56

Una respuesta parcial por el momento.

Creo que la forman pueden ser atacados con complejas técnicas de análisis, pero sólo después de algunas manipulaciones. Integrando por partes se tiene: $$ I = 2\int_{0}^{+\infty}\frac{t}{1+t^2}(-\log(1-e^{-t}))\,dt =2\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{1}{n}\int_{0}^{+\infty}\frac{te^{-nt}}{1+t^2}\,dt\tag{1}$$ y ya $$ \frac{t}{1+t^2} = \int_{0}^{+\infty}e^{-tu}\cos u \,du, \tag{2} $$ de ello se sigue que: $$\begin{eqnarray*} I &=& 2\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{1}{n}\int_{0}^{+\infty}\frac{\cos u}{n+u}\,du=\color{red}{2\int_{0}^{+\infty} \frac{H_u}{u} \cos u\,du}\\&=&\color{blue}{2\int_{0}^{+\infty}\frac{dv}{v+1}\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{\cos(nv)}{n}},\tag{3}\end{eqnarray*} $$ donde $H_u=\gamma+\psi(u+1)$, $\gamma$ es la constante de Euler y $\psi=\frac{\Gamma'}{\Gamma}$. De esta forma, la integral es convergente en virtud de la versión integral de Dirichlet de la prueba: $\color{red}{\frac{H_u}{u}}$ es una función suave en $\mathbb{R}^+$ disminuyendo a cero, o $\color{blue}{\sum_{n\geq 1}\frac{\cos(nv)}{n}}$ $2\pi$- función periódica, $-\log(2\sin(v/2))$, pertenecientes a $L^1((0,2\pi))$ y tener media cero. También tenemos: $$\begin{eqnarray*} I &=& 2\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{1}{n}\int_{n}^{+\infty}\frac{\cos u\cos n+\sin u\sin n}{u}\,du\\&=&2\sum_{n=1}^{+\infty}\left(-\frac{\cos n}{n}\operatorname{Ci}(n)+\frac{\sin n}{n}\left(\frac{\pi}{2}-\operatorname{Si}(n)\right)\right)\\&=&\frac{\pi(\pi-1)}{2}-2\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{\sin n\operatorname{Si}(n)+\cos n\operatorname{Ci}(n)}{n},\tag{4}\end{eqnarray*}$$ donde$\operatorname{Si}(n)=\int_{0}^{n}\frac{\sin z}{z}\,dz$$\operatorname{Ci}(n)=-\int_{n}^{+\infty}\frac{\cos z}{z}\,dz$.

i-Ciencias.com

I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.

Powered by:

X