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九州大学 システム情報科学府 情報理工学専攻・電気電子工学専攻 2015年8月実施 複素関数論

Author

Zero, 祭音Myyura

Description

複素関数 f(z)=πcotπzz2+a2f(z) = \frac{\pi\cot\pi z}{z^2 + a^2} を考える。ただし, a>0a > 0 とする。次の各問に答えよ。

(1) f(z)f(z) のすべての極における留数を求めよ。

(2) 図に示す閉路 CNC_N に沿った複素積分 CNf(z)dz\oint_{C_N} f(z)dz を考える。ただし, NN は自然数とする。 limNCNf(z)dz\lim_{N \rightarrow \infty}\oint_{C_N}f(z)dz の値を求めよ。

(3) limNCNf(z)dz\lim_{N \rightarrow \infty}\oint_{C_N}f(z)dz の値を用して, n=11n2+a2=π2acothπa12a2\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2 + a^2} = \frac{\pi}{2a}\coth \pi a - \frac{1}{2a^2} を示せ。


Consider the complex function f(z)=πcotπzz2+a2f(z) = \frac{\pi\cot\pi z}{z^2 + a^2} , where a>0a > 0 . Answer the following questions.

(1) Find the residues of f(z)f(z) at all its poles.

(2) Consider the complex integral CNf(z)dz\oint_{C_N} f(z)dz , where CNC_N is a closed path as shown in the figure and NN is a natural number. Find the value of limNCNf(z)dz\lim_{N \rightarrow \infty}\oint_{C_N}f(z)dz .

(3) Using the value of limNCNf(z)dz\lim_{N \rightarrow \infty}\oint_{C_N}f(z)dz , prove that n=11n2+a2=π2acothπa12a2\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2 + a^2} = \frac{\pi}{2a}\coth \pi a - \frac{1}{2a^2} .

题目描述

a>0a>0,考虑复函数

f(z)=πcotπzz2+a2.f(z)=\frac{\pi\cot\pi z}{z^2+a^2}.

回答下列问题:

  1. 找出 f(z)f(z) 的全部极点,并求它在每一个极点处的留数。

  2. NN 为自然数,对原图所示的闭路 CNC_N,求

    limNCNf(z)dz.\lim_{N\to\infty}\oint_{C_N}f(z)\,dz.

    原图给出的 CNC_N 是顶点为 (N+12)(±1±i)(N+\frac12)(\pm1\pm i)、方向为正向的正方形边界,因而不经过 cot(πz)\cot(\pi z) 的整数极点。

  3. 利用第 2 问的极限证明

    n=11n2+a2=π2acoth(πa)12a2.\sum_{n=1}^{\infty}\frac1{n^2+a^2} =\frac{\pi}{2a}\coth(\pi a)-\frac1{2a^2}.

Kai

(1)

f(z)=πcotπzz2+a2=πcosπz(z2+a2)sinπz=πcosπz(z+ai)(zai)sinπz\begin{aligned} f(z) &= \frac{\pi \cot \pi z}{z^2 + a^2} \\ &= \frac{\pi \cos \pi z}{(z^2 + a^2)\sin\pi z} \\ &= \frac{\pi \cos \pi z}{(z + ai)(z - ai)\sin \pi z} \end{aligned}

z=ai,ai,nz = ai,-ai,n ( nn は整数)

Resz=aif(z)\text{Res}_{z = ai}f(z) を求める。正則な関数 g(z)=πcosπz(z+ai)sinπzg(z) = \frac{\pi \cos \pi z}{(z + ai)\sin \pi z} とする。

Resz=aif(z)=g(ai)=πcosπ(ai)2aisinπ(ai)=πcosh(πa)2aiisinh(πa)=π2acoth(πa)\begin{aligned} \text{Res}_{z = ai}f(z) &= g(ai)\\ &= \frac{\pi \cos \pi(ai)}{2ai \cdot \sin\pi(ai)} \\ &= \frac{\pi \cdot \cosh(\pi a)}{2ai \cdot i\sinh(\pi a)} \\ &= -\frac{\pi}{2a} \coth(\pi a) \end{aligned}

次に、 Resz=aif(z)\text{Res}_{z = -ai}f(z) を求める。 g(z)=πcosπz(zai)sinπzg(z) = \frac{\pi \cos\pi z}{(z - ai)\sin\pi z}

Resz=aif(z)=g(ai)=πcosπ(ai)(2ai)sinπ(ai)=πcosh(πa)2aiisinh(πa)=π2acoth(πa)=π2acothπa\begin{aligned} \text{Res}_{z = -ai}f(z) &= g(-ai)\\ &= \frac{\pi\cos\pi(-ai)}{(-2ai)\sin\pi(-ai)} \\ &= \frac{\pi\cosh(-\pi a)}{-2ai \cdot i \sinh(-\pi a)} \\ &= \frac{\pi}{2a}\coth(-\pi a) \\ &= -\frac{\pi}{2a}\coth \pi a \end{aligned}

最後に、 Resz=nf(z)\text{Res}_{z = n}f(z) を求める。

Resz=nf(z)=limznπ1{(z2+a2)tanπz}=limznπ12ztanπz+(z2+a2)1cos2πzπ=limznπcos2πz2zsinπzcosπz+π(z2+a2)=limznπcos2πzzsin2πz+π(z2+a2)=limznπ1π(n2+a2)=1n2+a2\begin{aligned} \text{Res}_{z = n}f(z) &= \lim_{z \rightarrow n} \pi \cdot \frac{1}{\{(z^2 + a^2) \tan \pi z\}'} \\ &= \lim_{z \rightarrow n} \pi \cdot \frac{1}{2z\tan \pi z + (z^2 + a^2) \cdot \frac{1}{\cos^2\pi z} \cdot \pi} \\ &= \lim_{z \rightarrow n} \pi \cdot \frac{\cos^2\pi z}{2z\sin\pi z \cos\pi z + \pi(z^2 + a^2)} \\ &= \lim_{z \rightarrow n} \pi \cdot \frac{\cos^2 \pi z}{z \sin 2\pi z + \pi(z^2 + a^2)} \\ &= \lim_{z \rightarrow n} \pi \cdot \frac{1}{\pi(n^2 + a^2)} \\ &= \frac{1}{n^2 + a^2} \end{aligned}

(2)

図より RN=N+12R_N=N+\frac12 とおくと、CNC_NRezRN, ImzRN|\operatorname{Re}z|\leq R_N,\ |\operatorname{Im}z|\leq R_N の正方形の正向き境界である。 鉛直辺では

cotπ(±RN+iy)=tanhπy1,|\cot\pi(\pm R_N+iy)|=|\tanh\pi y|\leq1,

水平辺では cotπ(x±iRN)coth(πRN)|\cot\pi(x\pm iR_N)|\leq\coth(\pi R_N) である。また zCNz\in C_N なら zRN|z|\geq R_N なので、RN>aR_N>a のとき

z2+a2z2a2RN2a2.|z^2+a^2|\geq |z|^2-a^2\geq R_N^2-a^2.

したがって ML 評価より

CNf(z)dz8πRNcoth(πRN)RN2a20.\left|\oint_{C_N}f(z)\,dz\right| \leq\frac{8\pi R_N\coth(\pi R_N)}{R_N^2-a^2} \longrightarrow0.

(3)

留数定理から、

limNCNf(z)dz=2πi(n=1n2+a2πacothπa)0=2πi(n=1n2+a2πacothπa)n=1n2+a2=πacothπan=11n2+a2+1a2+n=11n2+a2=πacothπa2n=11n2+a2=πacothπa1a2n=11n2+a2=π2acothπa12a2\begin{aligned} \lim_{N \rightarrow \infty}\oint_{C_N}f(z)dz &= 2\pi i \bigg(\sum_{n = -\infty}^{\infty} \frac{1}{n^2 + a^2} - \frac{\pi}{a}\coth \pi a\bigg) \\ 0 &= 2\pi i \bigg(\sum_{n = -\infty}^{\infty}\frac{1}{n^2 + a^2} - \frac{\pi}{a}\coth\pi a\bigg) \\ \sum_{n = -\infty}^{\infty} \frac{1}{n^2 + a^2} &= \frac{\pi}{a}\coth \pi a \\ \sum_{n = -\infty}^{-1}\frac{1}{n^2 + a^2} + \frac{1}{a^2} + \sum_{n = 1}^{\infty}\frac{1}{n^2 + a^2} &= \frac{\pi}{a} \coth\pi a \\ 2\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{1}{n^2 + a^2} &= \frac{\pi}{a}\coth\pi a - \frac{1}{a^2} \\ \sum_{n = 1}^{\infty}\frac{1}{n^2 + a^2} &= \frac{\pi}{2a}\coth\pi a - \frac{1}{2a^2} \end{aligned}