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 2017年8月実施 複素関数論
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Zero
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図に示す曲線 C に沿った複素積分 ∮Cz2+1(lnz)2dz を考える.ただし,R>1,ε<1 とする.次
の各問に答えよ.
(1) ∮Cz2+1(lnz)2dz の値を求めよ.
(2) ∮Cz2+1(lnz)2dz の値を用いて,∫0∞x2+1(lnx)2dx=8π3 を示せ.
Kai
(1)
f(z)=z2+1(lnz)2 とおくと、f(z) は C 内部に 1 位の極 i をもつ. よって、留数定理より、
∮f(z)dz=2πi⋅Resz=iz2+1(lnz)2=2πi⋅2i(lni)2=(lni)2⋅π=−4π3
(2)
曲線 C を
- 区間 [Reio,Reiπ] を CR
- 区間 [−R,−ε] を C1
- 区間 [εeiπ,εeio] を Cε
- 区間 [ε,R] を C2 として。C=CR+C1+Cε+C2 と表す。
∮Cf(z)dz=∫CRf(z)dz+∫C1f(z)dz+∫Cεf(z)dz+∫C2f(z)dz(1◯)
ここで、
∫CRf(z)dz=∫0πR2e2iθ+1(lnR+iθ)2⋅iReiθdθ≦∫0πR2e2iθ+1(lnR+iθ)2⋅Rdθ≦∫0πR2−1(lnR)2+π2⋅Rdθ=R2−1R[(lnR)2+π2]⋅π⟶R→∞0
∫Cεf(z)dz=∫π0ε2e2iθ+1(lnε+iθ)2iεeiθdθ≦∫0π1−ε2(lnε)2+π2⋅εdθ=R2−1R[(lnR)2+π3]⋅π⟶ε→00
R→∞,ε→0lim∫C1f(z)dz=∫0∞x2+1(lnx+πi)2dx=∫0∞x2+1(lnx)2dx+2πi∫0∞x2+1lnxdx−π2∫0∞x2+11dx=∫0∞x2+1(lnx)2dx+2πi∫0∞x2+1lnxdx−π2[tan−1x]0∞=∫0∞x2+1(lnx)2dx+2πi∫0∞x2+1lnxdx−2π3(2◯)
R→∞,ε→0lim∫C1f(z)dz=∫0∞x2+1(lnx)2dx(3◯)
② について、∫0∞x2+1lnxdx を求める。q(z)=z2+1lnz とおくと。
∮Cq(z)dz=2πi⋅z→ilimz→ilnz=2πi⋅2ilni=π⋅i⋅2π=2π2i
f(z) と同様に q(z) について、
∫CRq(z)dz=∫0πR2e2iθ+1lnR+iθiReiθdθ≦∫0πR2−1R⋅(lnR)2+π2dθ=R2−1R(lnR)2+π2⋅π⟶R→∞0
∫Cεq(z)dz=∫π0ε2e2iθ+1lnε+iθiεeiθdθ≦∫0π1−ε2ε(lnε)2+π2dθ=1−ε2ε(lnε)2+π2⋅π⟶ε→00
R→∞,ε→0lim∫C1q(z)dz=∫0∞x2+1lnxdx
より、
2π2i=2∫0∞x2+1lnxdx
より、
2π2i=2∫0∞x2+1lnxdx+2π2i
∴∫0∞x2+1lnxdx=0(4◯)
① ~ ④ から、
−4π3=0+2∫0∞x2+1(lnx)2dx−2π3+0
∴∫0∞x2+1(lnx)2dx=8π3