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千葉大学 融合理工学府 数学情報科学専攻 数学・情報数理学コース 2021年8月実施 専門 B5

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description

CrC_r を上半円 z=reiθz=re^{i\theta}0θπ0\le\theta\le\pi)とする。

  1. ff が原点近傍で正則で f(0)=1f(0)=1 のとき limr0Crf(z)/zdz\lim_{r\to0}\int_{C_r}f(z)/z\,dz を求めよ。
  2. limrCreiz/zdz=0\lim_{r\to\infty}\int_{C_r}e^{iz}/z\,dz=0 を示せ。
  3. 0sinx/xdx\int_0^\infty\sin x/x\,dx を求めよ。

题目描述

CrC_r 为从 rrr-r 的上半圆。(1) 若 ff 在原点附近全纯且 f(0)=1f(0)=1,求 limr0Crf(z)/zdz\lim_{r\to0}\int_{C_r}f(z)/z\,dz;(2) 证明 Creiz/zdz0\int_{C_r}e^{iz}/z\,dz\to0rr\to\infty);(3) 计算 Dirichlet 积分 0sinx/xdx\int_0^\infty\sin x/x\,dx

Kai

(1) パラメータ表示より

Crf(z)zdz=i0πf(reiθ)dθiπ.\int_{C_r}\frac{f(z)}z\,dz=i\int_0^\pi f(re^{i\theta})d\theta\longrightarrow\boxed{i\pi}.

ここで原点での連続性により被積分関数は一様に 11 に近づく。

(2) sinθ2θ/π\sin\theta\ge2\theta/\pi0θπ/20\le\theta\le\pi/2)から

Creizzdz20π/2ersinθdθπr(1er)0.\left|\int_{C_r}\frac{e^{iz}}z\,dz\right| \le2\int_0^{\pi/2}e^{-r\sin\theta}d\theta \le\frac\pi r(1-e^{-r})\longrightarrow0.

(3) 上半平面で原点を半径 ϵ\epsilon の半円で避ける経路をとる。Cauchy の積分定理より

Rϵeixxdx+ϵReixxdxCϵeizzdz+CReizzdz=0.\int_{-R}^{-\epsilon}\frac{e^{ix}}x\,dx+\int_\epsilon^R\frac{e^{ix}}x\,dx -\int_{C_\epsilon}\frac{e^{iz}}z\,dz+\int_{C_R}\frac{e^{iz}}z\,dz=0.

最初の二項の和は 2iϵRsinx/xdx2i\int_\epsilon^R\sin x/x\,dx。(1),(2) により ϵ0,R\epsilon\downarrow0,R\to\infty とすると

0sinxxdx=π2.\boxed{\int_0^\infty\frac{\sin x}{x}\,dx=\frac\pi2}.

原点では sinx/x\sin x/x は連続に拡張され、無限遠では部分積分により収束するので、これは通常の広義積分である。