Evaluación de la integral $\int_0^{\infty} \frac{\sin(x)}{\sinh(x)}\,dx$

Question

Estaba intentando evaluar la fo $$I=\int_\limits {-\infty}^{\infty} \dfrac{\sin(x)}{\sinh(x)}\,dx$$ pero no tuvo éxito. Primero expandí el seno hiperbólico: $$I=2\int_\limits {-\infty}^{\infty} \dfrac{\sin(x)}{e^{x}-e^{-x}}\,dx=2\Im \int_\limits {-\infty}^{\infty} \dfrac{e^{ix}}{e^{x}-e^{-x}}\,dx$$ Entonces sustituí $u=e^x$ , $$I=2\Im\int_\limits {0}^{\infty} \dfrac{u^i}{u^2-1}\,du$$ Ahora, no sé muy bien qué hacer. Además, después de cambiar el $\Im$ con la integral parecía crear una singularidad no integrable en $u=1$ . ¿Cuándo no se puede hacer eso?

Answer 1

\begin{align} \int_0^\infty\dfrac{\sin x}{\sinh x}dx &= \int_0^\infty\dfrac{2\sin x}{e^{x}-e^{-x}}dx \\ &= \int_0^\infty\dfrac{2e^{-x}\sin x}{1-e^{-2x}}dx \\ &= \int_0^\infty2e^{-x}\sin x\sum_{n\geq0}e^{-2nx} \\ &= \sum_{n\geq0}2\int_0^\infty e^{-(2n+1)x}\sin x \\ &= \sum_{n\geq0}\dfrac{2}{1+(2n+1)^2} \\ &= \color{blue}{\dfrac{\pi}{2}\tanh\dfrac{\pi}{2}} \end{align} donde $$\tanh z=2z\left(\dfrac{1}{z^2+(\frac{\pi}{2})^2}+\dfrac{1}{z^2+(\frac{3\pi}{2})^2}+\dfrac{1}{z^2+(\frac{5\pi}{2})^2}+\cdots\right)$$

Answer 2

Aquí está una solución usando algo parecido al método del OP. Vamos a demostrar que $$\int_0^\infty \frac{x^a-x^{-a}}{x^2-1}dx = \pi \tan\left(\frac{\pi a}{2}\right)$$
De donde la integral del OP es inmediata. Para ello, primero evaluaremos la siguiente integral utilizando el análisis complejo: $$\int_0^\infty \frac{x^a}{x^2-1}dx$$ Dado $-1 < \text{Re}(a) < 1$ con $a \neq 0$ dejamos que $\Gamma$ sea el siguiente contorno.

Obsérvese que las integrales en $C_r$ y $C_R$ desaparecen como $r \to 0^+$ y $R \to \infty$ respectivamente por norma $ML$ estimaciones. Debido a la elección del logaritmo para tener un corte de rama en la recta real positiva, el $x^a$ en el numerador afecta a la integral sobre la recta real positiva, dando $$\left(\int_R^{1+r} + \int_{1-r}^r\right)f(z)dz = -e^{2\pi ia}\left(\int_r^{1-r} + \int_{1+r}^R\right)f(z)dz\tag{1}$$ Por un razonamiento similar, encontramos que $$\int_{S_r^-}f(z)dz = e^{2\pi ia}\int_{S_r^+}f(z)dz \tag{2}$$ La integral de $f$ en $S_r^+$ será simplemente $$\int_{S_r^+}f(z)dz = -\pi i \operatorname{Res}(1) = - \pi i \lim_{z \to 1} \frac{x^a}{x+1} = \frac{\pi i}{2} \tag{3}$$ Finalmente, por el teorema del residuo, la integral de $f$ en $\Gamma$ será simplemente $2\pi i \sum \text{Res}(f)$ , dando $$\int_\Gamma f(z)dz = 2\pi i \operatorname{Res}(-1) = 2 \pi i \lim_{z \to -1}\frac{e^{a\mathcal{L}_0(z)}}{x-1} = -\pi i e^{a \pi i}\tag{4}$$ Así, combinando $(1), (2), (3),$ y $(4)$ anterior, obtenemos $$ (1-e^{2\pi ia})\left(\int_r^{1-r} + \int_{1+r}^R\right)f(z)dz + (1+e^{2\pi ia})\int_{S_r^+}f(z)dz = \int_{\Gamma}f(z)dz $$ De modo que $$\int_0^\infty \frac{x^a}{x^2-1} = \left(\int_r^{1-r} + \int_{1+r}^R\right)f(z)dz = \frac{\frac{\pi i}{2}(1+e^{2\pi ia})-\pi i e^{a \pi i}}{1-e^{2\pi ia}} = \frac{\pi}{2}\tan\left(\frac{\pi a}{2}\right)$$ Donde el último paso resulta de reordenar la expresión en la forma compleja de $\tan(z)$ . Así pues, tenemos $$\begin{align} \int_0^\infty \frac{x^a-x^{-a}}{x^2-1}dx &= \int_0^\infty \frac{x^a}{x^2-1}dx - \int_0^\infty \frac{x^{-a}}{x^2-1}dx \\&=\frac{\pi}{2}\tan\left(\frac{\pi a}{2}\right) - \frac{\pi}{2}\tan\left(\frac{-\pi a}{2}\right) \\&= \pi \tan\left(\frac{\pi a}{2}\right) \end{align}$$ Desde $tan(z)$ es una función impar. Así obtenemos inmediatamente la integral de la OP observando $$\begin{align} I&=\int_{-\infty}^{\infty} \frac{\sin(x)}{\sinh(x)}dx \\&= \frac{1}{i}\int_{-\infty}^\infty\frac{e^{ix}-e^{-ix}}{e^x-e^{-x}}dx \\&= \frac{1}{i}\int_0^\infty\frac{x^i-x^{-i}}{x^2-1}dx \\&= \frac{\pi}{i} \tan\left(\frac{\pi i}{2}\right) \\&= \pi \tanh\left(\frac{\pi}{2}\right) \\&\text{As claimed.} \tag*{$\Box$} \end{align}$$

Answer 3

$\newcommand{\bbx}[1]{\,\bbox[15px,border:1px groove navy]{\displaystyle{#1}}\,} \newcommand{\braces}[1]{\left\lbrace\,{#1}\,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\,{#1}\,\right\rbrack} \newcommand{\dd}{\mathrm{d}} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,\mathrm{e}^{#1}\,} \newcommand{\ic}{\mathrm{i}} \newcommand{\mc}[1]{\mathcal{#1}} \newcommand{\mrm}[1]{\mathrm{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left(\,{#1}\,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\partial #3^{#1}}} \newcommand{\root}[2][]{\,\sqrt[#1]{\,{#2}\,}\,} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{\mathrm{d}^{#1} #2}{\mathrm{d} #3^{#1}}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\,{#1}\,\right\vert}$ \begin{align} &\bbox[10px,#ffd]{% 2\int_{0}^{\infty}{\sin\pars{x} \over \sinh\pars{x}}\,\dd x} = 2\,\Im\int_{0}^{\infty}{\expo{\ic x} - 1 \over \pars{\expo{x} - \expo{-x}}/2}\,\dd x \\[5mm] = &\ 4\,\Im\int_{0}^{\infty}{\expo{-\pars{1 - \ic}x} - \expo{-x} \over 1 - \expo{-2x}}\,\dd x \,\,\,\stackrel{\large\expo{-2x}\ =\ t}{\large =}\,\,\, 4\,\Im\int_{1}^{0}{t^{1/2 - \ic/2} - t^{1/2} \over 1 - t}\, \pars{-\,{\dd t \over 2t}} \\[5mm] = &\ 2\,\Im\bracks{\int_{0}^{1}{1 - t^{-1/2} \over 1 - t}\,\dd t - \int_{0}^{1}{1 - t^{-1/2 - \ic/2} \over 1 - t}\,\dd t} \\[5mm] = &\ 2\,\Im\bracks{\Psi\pars{1 \over 2} - \Psi\pars{{1 \over 2} - {\ic \over 2}}} = -2\,\Im\Psi\pars{{1 \over 2} - {\ic \over 2}} \\[5mm] = &\ -2\,{\Psi\pars{1/2 - \ic/2} - \Psi\pars{1/2 + \ic/2} \over 2\ic} = \ic\braces{\pi\cot\pars{\pi\bracks{{1 \over 2} + {\ic \over 2}}}} \\[5mm] = &\ -\ic\pi\tan\pars{\pi\ic \over 2} = \bbx{\pi\tanh\pars{\pi \over 2}} \end{align}