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I=0xarctan(x)x2+a2=π2a(loga+1a+1+arctana)  a>1

f(z)=zarctan(z)z2+a2

을 그림과 같은 경로에서 적분을 하자.

그러면 residue 정리에 의해서

(C1+C2+C3+C4+C5+C6)f(z)dz=2πi×(Resf(ia)+Resf(ia))

여기서 branch point 둘레와 C에서 적분은 기여가 없다.

C1+C2f(z)=0xarctan(x)dxx2+a2+0xeiπarctan(x)dxx2+a2=2I

arctan(z)=12ilogizi+z이므로 C3(C5)에서C4(C6)으로 branch cut을 넘어 건널 때 위상이 2π 더해지므로 C3+C4에서 적분은 log의 위상을 제외한 부분은 상쇄되므로 

logizi+z|C4||C6=logizi+z|C3||C5+2πiC3+C4f(z)dz=C4z12i×2πiz2+a2dz=π10yeiπ/4a2y2(idy) C5+C6f(z)dz=C5z12i×2πiz2+a2dz=π01yei3π/4a2y2(idy)  따라서

C3+C4+C5+C6=2π10ydya2y2=2π102t2dta2t4=2π10dxax2+2π10dxa+x2=π2aloga+1a1+2πaarctan1a

그리고 z=ia에서 zi=(a1)eiπ/2iz=(a1)ei3π/2, z+i=(a+1)eiπ/2이므로

logizi+z=loga+1a1+iπ이고, z=ia에 대해서는 zi=(a+1)eiπ/2iz=(a+1)eiπ/2, z+i=(a1)eiπ/2이므로 

logizi+z=loga+1a1+iπ이므로 z=±ia에서 residue는 

2πi×Res=2πi(12iaeiπ/4(loga1a+1+iπ)2ia+12iaei3π/4(loga+1a1+iπ)2ia)=π2a(loga1a+1+π)

따라서 정리하면 ( π2=arctan1a+arctana)

I=π22alog(a+1)2a+1+π2a(π2arctan1a)=π2a(loga+1a+1+arctana)

 

 

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