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大阪大学 工学研究科 電気電子情報工学専攻 2020年度 基礎科目 【数学3】

Author

Miyake

Description

Kai

(a)

\[ \begin{aligned} f(z) = \frac{z e^{irz}}{z^2 + m^2} = \frac{z e^{irz}}{(z+im)(z-im)} \end{aligned} \]

であるから、 \(z=im,-im\) が1位の極であり、それぞれにおける留数は、

\[ \begin{aligned} \lim_{z \to im} (z-im) f(z) = \frac{1}{2} e^{-rm} , \ \ \lim_{z \to -im} (z+im) f(z) = \frac{1}{2} e^{rm} \end{aligned} \]

である。

(b)

留数定理より、

\[ \begin{aligned} \int_{C_1+C_2} f(z) dz = 2 \pi i \cdot \frac{1}{2} e^{-rm} = i \pi e^{-rm} \end{aligned} \]

である。

(\(c\))

\(C_2\) 上の \(z\)\(z=Re^{i \theta} \ \ (0 \leq \theta \leq \pi)\) と書け、 \(dz = iRe^{i \theta} d \theta\) なので、

\[ \begin{aligned} \int_{C_2} f(z) dz &= \int_0^\pi \frac{R e^{i \theta} e^{irR \exp(i \theta)}}{R^2 e^{2i \theta} + m^2} \cdot iR e^{i \theta} d \theta \\ &= i \int_0^\pi \frac{ e^{-rR \sin \theta} e^{irR \cos \theta} }{ 1 + \frac{m^2}{R^2} e^{- 2i \theta} } d \theta \end{aligned} \]

であり、

\[ \begin{aligned} \left| \int_{C_2} f(z) dz \right| &\leq \int_{C_2} \left| f(z) \right| \left| dz \right| \\ &= \int_0^\pi \left| \frac{ e^{-rR \sin \theta} e^{irR \cos \theta} }{ 1 + \frac{m^2}{R^2} e^{- 2i \theta} } \right| d \theta \\ &\to 0 \ \ (R \to 0) \end{aligned} \]

である。

(d)

(b), (\(c\)) より、

\[ \begin{aligned} \lim_{R \to \infty} \int_{C_1} f(z) dz = i \pi e^{-rm} \end{aligned} \]

であるが、 \(m=1\) とすると、

\[ \begin{aligned} \int_{- \infty}^\infty \frac{k e^{ik}}{k^2+1} dk = i \pi e^{-r} \end{aligned} \]

となり、これの両辺の虚部を考えると、

\[ \begin{aligned} \int_{- \infty}^\infty \frac{k \sin k}{k^2+1} dk = \pi e^{-r} \end{aligned} \]

したがって、

\[ \begin{aligned} \int_0^\infty \frac{2k \sin k}{k^2+1} dk = \pi e^{-r} \end{aligned} \]

を得る。