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

f(z)=zarctan(z)z2+a2f(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))(C1+C2+C3+C4+C5+C6)f(z)dz=2πi×(Resf(ia)+Resf(ia))

여기서 branch point 둘레와 CC에서 적분은 기여가 없다.

C1+C2f(z)=0xarctan(x)dxx2+a2+0xeiπarctan(x)dxx2+a2=2IC1+C2f(z)=0xarctan(x)dxx2+a2+0xeiπarctan(x)dxx2+a2=2I

arctan(z)=12ilogizi+zarctan(z)=12ilogizi+z이므로 C3(C5)C3(C5)에서C4(C6)C4(C6)으로 branch cut을 넘어 건널 때 위상이 2π2π 더해지므로 C3+C4C3+C4에서 적분은 loglog의 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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I=1arctan(x)dxx(x2+a2)=πlog(1+a)a2,    0<a<1

f(z)=arctan(z)z(z2+a2)=12ilogizi+zz(z2+a2)을 그림과 같은 경로에서 적분하자.

그러면 I+(C1+C3+C2+C)f(z)dz=2πi×Resf(ia)

C1+C3f(z)dz=12iC3log|izi+z|+i(arg(iz)+2πarg(i+z))z(z2+a2)dz+12iC3log|izi+z|+i(arg(iz)arg(i+z))z(z2+a2)dz=πiidzz(z2+a2)=π1dyy(a2y2)=π2a21(2y1a+y+1ay)dy=π2a2log(1a2) 그리고 

Resf(ia)=i4a2log1a1+a이고  C2,C에서 적분이 0으로 수렴하므로 

I=πlog(1+a)a2

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I=1011+x2x31xdx=π(12+12)0.223113×π

복소함수 

f(z)=11+z2z31z를 그림과 같은 경로에서 적분하자. Branch cut은 z=0z=1을  잇는 선분으로 선택하면 위상은 

πarg(z)π,0arg(1z)2π로 잡을 수 있다. 그러면

(kCk+C)=2πi×(Res(f(i))+Resf(i))

C1에서 z=xei0  (x:01)z1=(1x)eiπ1z=(1x)ei2πC1=1011+x2x31xei0eiπdx=I

C3에서 z=xei0  (x:10)z1=(1x)eiπ1z=(1x)ei0C3=0111+x2x31xei0ei0dx=I

그리고 z=에서 residue를 가지는데, 

f(z)=1iz+C=2πi×(1i)=2π이고 C20, C40이다. 그리고 z=i에서 residue는 

z=eiπ/2z3=ei3π/4z1=2ei3π/41z=2ei7π/41z=2ei7π/8Resf(i)=1i22eiπ/8z=i에서 residue는 

z=eiπ/2z3=ei3π/4z+1=2ei5π/41z=2eiπ/41z=2eiπ/8Resf(i)=1i2eiπ/8이므로

Res=1i2cosπ8=2+1i2 따라서 2I+2π=2πi×2+1i2I=π(12+12)

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