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Evaluar $\displaystyle \int_{|z-i|=R}\frac{z^{4}+z^{2}+1}{z(z^{2}+1)}dz$ como una función de la $R>0$

Necesito para evaluar la integral de la $\displaystyle \int_{|z-i|=R}\frac{z^{4}+z^{2}+1}{z(z^{2}+1)} dz$ como una función de la $R>0$. Me pueden omitir los valores de $R$ para los que el denominador se convierte a $0$.

Ahora, el uso parcial de la fracción de descomposición, la integral se puede dividir de la siguiente manera: $\displaystyle \int_{|z-i|=R} z \,dz + \int_{|z-i|=R}\frac{1}{z}\,dz-\frac{1}{2}\int_{|z-i|=R}\frac{1}{z+i}\,dz -\frac{1}{2}\int_{|z-i|=R} \frac{1}{z-i}\,dz$

Los valores para los cuales el denominador de la no descompuesto función convierte a $0$ $R=1$ (al $R=1$, la curva se intersecta con la singularidad $z=0$) y $R=2$ (al $R=2$, la curva se intersecta con la singularidad $z=-i$).

También, como $R$ crece hasta abarcar todas las singularidades, la integral se vaya a $0$, por Cauchy Teorema.

Sin embargo, no estoy muy segura de qué hacer con este problema. He intentado realmente parametrización un cada integral, dejando $|z-i|=R$ se $z = Re^{i \theta} + i$, pero para el segundo y tercer integrales, terminé consiguiendo $\ln|0|$, que no está definido. De todos modos, esta no es la evaluación de la integral como una función de la $R$, pero como una función de la $z$ (o $\theta$).

Por favor, ayuda! Cualquier ayuda es necesaria, pero las respuestas no pueden utilizar los Residuos o de Cauchy de la Integral de la Fórmula del Teorema de Cauchy para bien o multiplicar conectado dominios está muy bien). Y yo preferiría algo completamente resueltos. Gracias.

2voto

Dr. MV Puntos 34555

Que estábamos en el camino correcto uso de la parametrización $z=i+Re^{i\theta}$, $\theta\in[0,2\pi]$. Aquí presentamos una forma que los usos reales de análisis mediante la evaluación de las partes real e imaginaria de las integrales por separado. Vamos a evaluar la integral de la $I$ dada por

$$I=\oint_{|z-i|=R}\frac{1}{z(z^2+1)}\,dz$$

y dejar la evaluación de la integral original como un ejercicio.


PRIMERA INTEGRAL Para la primera integral, tenemos

$$\begin{align} \oint_{|z-i|=R}\frac1z\,dz&=\int_0^{2\pi}\frac{iRe^{i\theta}}{i+Re^{i\theta}}\,d\theta\\\\ &=\int_0^{2\pi}\frac{R\cos(\theta)+iR(R+\sin(\theta))}{1+R^2+2R\sin(\theta)}\,d\theta\\\\ &=\left.\left(\frac12\log(1+R^2+2R\sin(\theta)) \right)\right|_{0}^{2\pi}+i\int_0^{2\pi}\frac{R(R+\sin(\theta))}{1+R^2+2R\sin(\theta)}\,d\theta\\\\ &=0+i 2\int_0^{\pi/2}\left(\frac{R(R+\sin(\theta))}{1+R^2+2R\sin(\theta)}+\frac{R(R-\sin(\theta))}{1+R^2-2R\sin(\theta)}\right)\,d\theta\\\\ &=i2\, \left.\arctan\left(\frac{1+R\sin(\theta)}{R\cos(\theta)}\right)\right|_{0}^{\pi/2}+i2\, \left.\arctan\left(\frac{1-R\sin(\theta)}{R\cos(\theta)}\right)\right|_{0}^{\pi/2}\\\\ &=i2\,\left(\frac{\pi}{2}-0\right)+i2\,\left(\frac{\pi}{2} \,\text{sgn}(1-R)-0\right)\\\\ &=\begin{cases} 0&,R<1\\\\ i2\pi&,R>1 \end{casos} \end{align}$$


SEGUNDA INTEGRAL

Para la segunda integral, tenemos

$$\begin{align} \oint_{|z-i|=R}\frac1{z+i}\,dz&=\int_0^{2\pi}\frac{2R\cos(\theta)+iR(R+2\sin(\theta))}{4+R^2+4R\sin(\theta)}\,d\theta\\\\ &=\left.\left(\frac12\log(4+R^2+4R\sin(\theta)) \right)\right|_{0}^{2\pi}\\\\ &+i2\, \left.\arctan\left(\frac{2+R\sin(\theta)}{R\cos(\theta)}\right)\right|_{0}^{\pi/2}+i2\, \left.\arctan\left(\frac{2-R\sin(\theta)}{R\cos(\theta)}\right)\right|_{0}^{\pi/2}\\\\ &=i2\,\left(\frac{\pi}{2}-0\right)+i2\,\left(\frac{\pi}{2} \,\text{sgn}(2-R)-0\right)\\\\ &=\begin{cases} 0&,R<2\\\\ i2\pi&,R>2 \end{casos} \end{align}$$


TERCERA INTEGRAL

Para la tercera integral, tenemos

$$\begin{align} \oint_{|z-i|=R}\frac1{z-i}\,dz&=\int_0^{2\pi}\frac{iRe^{i\theta}}{Re^{i\theta}}\,d\theta\\\\ &=i2\pi \end{align}$$


Poniendo todo junto, tenemos

$$\oint_{|z-i|+R}\frac{1}{z(z^2+1)}\,dz= \begin{cases} i2\pi &,R<1\\\\ i\pi&1<R<2\\\\ 0&R>2 \end{casos}$$

1voto

benji Puntos 1552

La primera integral, $\int zdz = 0$, por lo que podemos pasar por alto
Para el resto, utilice el hecho de que la liquidación número de una curva cerrada $C$ $a$ está dado por $\displaystyle \frac{1}{2\pi i} \int_C \frac{dz}{z-a}$

Deje $C$ ser el círculo de $ |z-i| = R$ $I$ ser integral estamos calculando
Para $R \gt 0$ tenemos $$\displaystyle \frac{1}{2\pi i} \int_C \frac{dz}{z-i} = 1 \implies \int_C \frac{dz}{z-i} = 2\pi i$$ Para $R \lt 1$ tenemos $$\displaystyle \frac{1}{2\pi i} \int_C \frac{dz}{z} = 0$$ $$\displaystyle \frac{1}{2\pi i} \int_C \frac{dz}{z+i} = 0$$ Por lo tanto, para $R \lt 1$ tenemos $I = -\pi i$

Para $1 \lt R \lt 2$ tenemos $$\displaystyle \frac{1}{2\pi i} \int_C \frac{dz}{z} = 1 \implies \int_C \frac{dz}{z} = 2\pi i$$ $$\displaystyle \frac{1}{2\pi i} \int_C \frac{dz}{z+i} = 0$$ Por lo tanto, para $1 \lt R \lt 2$ tenemos $I = 2\pi i -\pi i = \pi i$

Para $R \gt 2$ tenemos $$\displaystyle \int_C \frac{dz}{z} = 2\pi i$$ $$\displaystyle \int_C \frac{dz}{z+i} = 2\pi i$$ Por lo tanto, para $R \gt 2$ tenemos $I = 2\pi i -\pi i -\pi i = 0$

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