Σελίδα 6 από 12

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Πέμ Απρ 28, 2011 8:07 pm
από Σεραφείμ
Κοτρώνης Αναστάσιος έγραψε:51) \displaystyle{ \int^{\frac{\pi}{2}}_{0} \ln (\cos x) \ln (\sin x) \sin (2x) \ dx }.
\displaystyle{I = \int_0^{\pi /2} {\ln \left( {\sin \left( x \right)} \right)\ln \left( {\cos \left( x \right)} \right)\sin \left( {2x} \right)dx} } . Τότε

\displaystyle{I = \frac{1}{4}\int_0^{\pi /2} {\ln \left( {{{\sin }^2}\left( x \right)} \right)\ln \left( {{{\cos }^2}\left( x \right)} \right)\sin \left( {2x} \right)dx}  = \frac{1}{4}\int_0^{\pi /2} {\ln \left( {\frac{{1 - \cos \left( {2x} \right)}}{2}} \right)\ln \left( {\frac{{1 + \cos \left( {2x} \right)}}{2}} \right)\sin \left( {2x} \right)dx}  = \mathop  = \limits^\big{{\cos \left( {2x} \right) = y}}  = }

\displaystyle{ = \frac{1}{8}\int_{ - 1}^1 {\ln \left( {\frac{{1 - y}}{2}} \right)\ln \left( {\frac{{1 + y}}{2}} \right)dy}  = \mathop  = \limits^\big{{\dfrac{{1 - y}}{2} = x}}  = \frac{1}{4}\int_0^1 {\ln \left( x \right)\ln \left( {1 - x} \right)dx}  =  - \frac{1}{4}\int_0^1 {\ln \left( x \right)\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{x^n}}}{n}} dx}  =  - \frac{1}{4}\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{1}{n}\int\limits_0^1 {\ln \left( x \right){x^n}dx} }  = }

\displaystyle{ = \frac{1}{4}\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{1}{{n{{\left( {n + 1} \right)}^2}}}}  = \frac{1}{4}\left( {\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\left( {\frac{1}{n} - \frac{1}{{n + 1}} - \frac{1}{{{{\left( {n + 1} \right)}^2}}}} \right)} } \right) = \frac{1}{4}\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\left( {\frac{1}{n} - \frac{1}{{n + 1}}} \right)}  - \frac{1}{4}\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{1}{{{{\left( {n + 1} \right)}^2}}}}  = \frac{1}{4} - \frac{1}{4}\left( {\frac{{{\pi ^2}}}{6} - 1} \right) = \frac{1}{2} - \frac{{{\pi ^2}}}{{24}}}

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Παρ Μάιος 06, 2011 2:46 am
από Κοτρώνης Αναστάσιος
52) Ας υπολογισθεί το \displaystyle{\int_{0}^{1}\frac{\ln x}{x^2-x-1}\,dx} χωρίς χρήση μιγαδικής ανάλυσης (αν είναι δυνατόν).

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Παρ Μάιος 06, 2011 10:23 am
από S.E.Louridas
Αποσύρω γιά λίγο την διαπραγμάτευση μου, ώστε να ελεγχθούν κάποιες πράξεις εκεί.

Ευχαριστώ

S.E.Louridas

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Σάβ Μάιος 07, 2011 6:45 pm
από Σεραφείμ
Κοτρώνης Αναστάσιος έγραψε:52) Ας υπολογισθεί το \displaystyle{\int_{0}^{1}\frac{\ln x}{x^2-x-1}\,dx} χωρίς χρήση μιγαδικής ανάλυσης (αν είναι δυνατόν).
Με διλογαριθμική.

Η εξίσωση \displaystyle{{x^2} - x - 1 = 0} δίδει λύσεις \displaystyle{{r_1} = \varphi  = \frac{{1 + \sqrt 5 }}{2}} και \displaystyle{{r_2} = \frac{{1 - \sqrt 5 }}{2} = 1 - \varphi } , όπου \displaystyle{{r_1} - {r_2} = \sqrt 5 } , \displaystyle{{\varphi ^2} = \varphi  + 1{\text{  }}{\text{,  }}\frac{{\varphi  - 1}}{\varphi } = \frac{1}{{{\varphi ^2}}}} κ.λ.π.

Ανάλυση σε απλά κλάσματα ..

\displaystyle{I = \frac{1}{{{r_1} - {r_2}}} \cdot \int\limits_0^1 {\ln x\left( {\frac{1}{{x - \varphi }} - \frac{1}{{x - \left( {1 - \varphi } \right)}}} \right)dx}  = \frac{1}{{\sqrt 5 }} \cdot \int\limits_0^1 {\ln x\left( {\frac{1}{{x - \varphi }} - \frac{\varphi }{{\varphi x + 1}}} \right)dx}  = \frac{1}{{\sqrt 5 }} \cdot \int\limits_0^1 {\frac{{\ln x}}{{x - \varphi }}dx}  - \frac{\varphi }{{\sqrt 5 }} \cdot \int\limits_0^1 {\frac{{\ln y}}{{\varphi y + 1}}dy} \mathop {\mathop  = \limits_{\varphi y = u} }\limits^{x = \varphi  \cdot u}  = }

\displaystyle{ = \frac{1}{{\sqrt 5 }} \cdot \int\limits_0^{1/\varphi } {\frac{{\ln \left( {\varphi u} \right)}}{{u - 1}}du}  - \frac{1}{{\sqrt 5 }} \cdot \int\limits_0^\varphi  {\frac{{\ln \left( {u/\varphi } \right)}}{{u + 1}}du}  = \frac{{\ln \varphi }}{{\sqrt 5 }}\left( {\int\limits_0^{1/\varphi } {\frac{1}{{u - 1}}dx}  + \int\limits_0^\varphi  {\frac{1}{{u + 1}}du} } \right) - \frac{1}{{\sqrt 5 }}\left( {\int\limits_0^\varphi  {\frac{{\ln \left( u \right)}}{{1 + u}}du}  + \int\limits_0^{1/\varphi } {\frac{{\ln u}}{{1 - u}}du} } \right) = }

\displaystyle{ = \frac{{\ln \varphi }}{{\sqrt 5 }}\left( {\ln \left( {1 - \frac{1}{\varphi }} \right) + \ln \left( {1 + \varphi } \right)} \right) - \frac{1}{{\sqrt 5 }}\left( {\int\limits_0^\varphi  {\frac{{\ln \left( u \right)}}{{1 + u}}du}  + \int\limits_0^{1/\varphi } {\frac{{\ln u}}{{1 - u}}du} } \right) = \frac{{\ln \varphi }}{{\sqrt 5 }}\ln \left( {\frac{{{\varphi ^2} - 1}}{\varphi }} \right) - \frac{1}{{\sqrt 5 }}\left( {\int\limits_0^\varphi  {\frac{{\ln \left( u \right)}}{{1 + u}}du}  + \int\limits_0^{1/\varphi } {\frac{{\ln u}}{{1 - u}}du} } \right) = }

\displaystyle{ =  - \frac{1}{{\sqrt 5 }}\left( {\int\limits_0^\varphi  {\frac{{\ln \left( u \right)}}{{1 + u}}du}  + \int\limits_0^{1/\varphi } {\frac{{\ln u}}{{1 - u}}du} } \right) =  - \frac{1}{{\sqrt 5 }}\left( {\int\limits_1^{\varphi  + 1} {\frac{{\ln \left( {u - 1} \right)}}{u}du}  + \int\limits_0^{1/\varphi } {\frac{{\ln u}}{{1 - u}}du} } \right) =  - \frac{1}{{\sqrt 5 }}\left( {\int\limits_1^{{\varphi ^2}} {\frac{{\ln \left( {u - 1} \right)}}{u}du}  + \int\limits_0^{1/\varphi } {\frac{{\ln u}}{{1 - u}}du} } \right) = }

\displaystyle{ =  - \frac{1}{{\sqrt 5 }}\left( {\int\limits_{1/{\varphi ^2}}^1 {\frac{{\ln \left( {1 - u} \right) - \ln \left( u \right)}}{u}du}  + \int\limits_0^{1/\varphi } {\frac{{\ln \left( u \right)}}{{1 - u}}du} } \right) =  - \frac{1}{{\sqrt 5 }}\left( {\int\limits_0^{1/\varphi } {\frac{{\ln \left( u \right) - \ln \left( {1 - u} \right)}}{{1 - u}}du}  + \int\limits_0^{1/\varphi } {\frac{{\ln \left( u \right)}}{{1 - u}}du} } \right) = } (++)

\displaystyle{ =  - \frac{2}{{\sqrt 5 }}\int\limits_0^{1/\varphi } {\frac{{\ln \left( u \right)}}{{1 - u}}du}  + \frac{1}{{\sqrt 5 }}\int\limits_0^{1/\varphi } {\frac{{\ln \left( {1 - u} \right)}}{{1 - u}}du}  =  - \frac{2}{{\sqrt 5 }}\int\limits_0^{1/\varphi } {\frac{{\ln \left( u \right)}}{{1 - u}}du}  - \frac{2}{{\sqrt 5 }}{\ln ^2}\left( \varphi  \right) =  - \frac{2}{{\sqrt 5 }}\int\limits_{1/{\varphi ^2}}^1 {\frac{{\ln \left( {1 - u} \right)}}{u}du}  - \frac{2}{{\sqrt 5 }}{\ln ^2}\left( \varphi  \right) = }

\displaystyle{ =  - \frac{2}{{\sqrt 5 }}\left( {\int\limits_0^1 {\frac{{\ln \left( {1 - u} \right)}}{u}du}  - \int\limits_0^{1/{\varphi ^2}} {\frac{{\ln \left( {1 - u} \right)}}{u}du} } \right) - \frac{2}{{\sqrt 5 }}{\ln ^2}\left( \varphi  \right)\mathop  = \limits^{\left\lfloor {**} \right\rfloor }  \Rightarrow \boxed{{\rm I} = \frac{{{\pi ^2}}}{{3\sqrt 5 }} + \frac{2}{{\sqrt 5 }}\int\limits_0^{1/{\varphi ^2}} {\frac{{\ln \left( {1 - u} \right)}}{u}du}  - \frac{2}{{\sqrt 5 }}{{\ln }^2}\left( \varphi  \right)}} .

Με χρήση όμως της διλογαριθμικής συνάρτησης http://mathworld.wolfram.com/Dilogarithm.html

\displaystyle{{f_2}\left( z \right) = \int\limits_z^0 {\frac{{\ln \left( {1 - x} \right)}}{x}dx}  =  - \int\limits_0^z {\frac{{\ln \left( {1 - x} \right)}}{x}dx} } και με δεδομένο ότι \displaystyle{{f_2}\left( {{\varphi ^{ - 2}}} \right) = \frac{{{\pi ^2}}}{{15}} - {\ln ^2}\left( \varphi  \right)} έχουμε

\displaystyle{I = \frac{{{\pi ^2}}}{{3\sqrt 5 }} - \frac{2}{{\sqrt 5 }}{f_2}\left( {\frac{1}{{{\varphi ^2}}}} \right) - \frac{2}{{\sqrt 5 }}{\ln ^2}\left( \varphi  \right) = \frac{{{\pi ^2}}}{{3\sqrt 5 }} - \frac{2}{{\sqrt 5 }}\left( {\frac{{{\pi ^2}}}{{15}} - {{\ln }^2}\left( \varphi  \right)} \right) - \frac{2}{{\sqrt 5 }}{\ln ^2}\left( \varphi  \right) = \frac{{{\pi ^2}}}{{3\sqrt 5 }} - \frac{{2{\pi ^2}}}{{15\sqrt 5 }} \Rightarrow \boxed{\int\limits_0^1 {\frac{{\ln \left( x \right)}}{{{x^2} - x - 1}}dx}  = \frac{{{\pi ^2}}}{{5\sqrt 5 }}}} .

Την διλογαριθμική συνάρτηση την μελετήσαμε κι εδώ … viewtopic.php?f=9&t=12954&hilit=+dunkel στο πρόβλημα Νο 9 (με ανάλυση και αποδείξεις σχέσεων και τύπων).

\displaystyle{\left\lfloor {**} \right\rfloor } Χρησιμοποιήθηκε το \displaystyle{\int\limits_0^1 {\frac{{\ln \left( {1 - x} \right)}}{x}dx}  = \int\limits_0^1 {\frac{{\ln \left( x \right)}}{{1 - x}}dx}  = \int\limits_0^1 {\ln \left( x \right)\sum\limits_{n = 0}^\infty  {{x^n}} dx}  = \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\int\limits_0^1 {{x^n}\ln \left( x \right)dx} }  =  - \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{1}{{{{\left( {n + 1} \right)}^2}}}}  =  - \frac{{{\pi ^2}}}{6}} .

(++) Χρησιμοποιήθηκαν διαδοχικά οι μετασχηματισμοί : \displaystyle{u \to \frac{1}{u}{\text{   \&    }}u \to 1 - u} με κατάλληλες αλλαγές στα όρια ολοκλήρωσης.

Υποψιάζομαι ότι με χρήση διπλών ολοκληρωμάτων ίσως απλουστευτούν τα πράγματα.

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Τετ Μάιος 11, 2011 2:03 am
από Κοτρώνης Αναστάσιος
53) Ας αποδειχθεί ότι \displaystyle{ 
\int_0^{ + \infty } {\frac{{\sin ax}} 
{{\exp \left( {2\pi x} \right) - 1}}dx =  - \frac{1} 
{{2a^2}} + \frac{1} 
{4}\frac{{e^a  + 1}} 
{{e^a  - 1}}\;\;\;0}  < \left| {\mathfrak{Im} \,a} \right| < 2\pi  
}

(Διορθώθηκε)

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Τετ Μάιος 11, 2011 2:30 am
από vzf
54) Nα υπολογιστεί το \int_{-\infty}^{+\infty}{xe^{-\lambda x^2}}dx,όπου x,λ πραγματικοί αριθμοί.

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Τετ Μάιος 11, 2011 10:33 am
από Σεραφείμ
Κοτρώνης Αναστάσιος έγραψε:53) Ας αποδειχθεί ότι \displaystyle{ 
\int_0^{ + \infty } {\frac{{\sin ax}} 
{{\exp \left( {2\pi x} \right) - 1}}dx =  - \frac{1} 
{{2a^2}} + \frac{1} 
{4}\frac{{e^a  + 1}} 
{{e^a  - 1}}\;\;\;0}  < \left| {\mathfrak{Im} \,a} \right| < 2\pi  
}
Θα χρησιμοποιηθούν δύο τύποι

1) \displaystyle{\int\limits_0^\infty  {\sin \left( {ax} \right){e^{ - y \cdot x}}dx}  = \frac{a}{{{a^2} + {y^2}}}} (Μετασχηματισμός Laplace της \displaystyle{f\left( x \right) = \sin \left( {ax} \right)} ) και 2) \displaystyle{\sum\limits_{n =  - \infty }^\infty  {\left( {\frac{1}{{x + n}}} \right)}  = \frac{\pi }{{\tan \left( {\pi x} \right)}}} (αποδείχθηκε εδώ viewtopic.php?f=9&t=15190 )

\displaystyle{\int\limits_0^\infty  {\frac{{\sin \left( {ax} \right)}}{{{e^{2\pi x}} - 1}}dx}  = \int\limits_0^\infty  {\frac{{\sin \left( {ax} \right){e^{ - 2\pi x}}}}{{1 - {e^{ - 2\pi x}}}}dx}  = \int\limits_0^\infty  {\sin \left( {ax} \right){e^{ - 2\pi x}}\sum\limits_{n = 0}^\infty  {{e^{ - 2\pi nx}}} dx}  = \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\int\limits_0^\infty  {\sin \left( {ax} \right){e^{ - \left( {2n + 2} \right)\pi x}}dx} }  =}

\displaystyle{= \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{a}{{{a^2} + {\pi ^2}{{\left( {2n + 2} \right)}^2}}}}  = \mathop  = \limits^{a/(2\pi ) = z}  = \frac{1}{{4{\pi ^2}}}\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{1}{{{n^2} + {z^2}}}}  = \frac{1}{{4{\pi ^2}}}\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{1}{{\left( {n + iz} \right)\left( {n - iz} \right)}}}  =}

\displaystyle{= \frac{{ - 1}}{{8iz{\pi ^2}}}\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\left( {\frac{1}{{n + iz}} - \frac{1}{{n - iz}}} \right)}  = \frac{{ - 1}}{{8iz{\pi ^2}}}\sum\limits_{n = 1}^\infty  {\left( {\frac{1}{{iz + n}} + \frac{1}{{iz - n}}} \right)}  = \frac{{ - 1}}{{8iz{\pi ^2}}}\left( { - \frac{1}{{iz}} + \sum\limits_{n =  - \infty }^\infty  {\left( {\frac{1}{{iz + n}}} \right)} } \right) =}

\displaystyle{= \frac{{ - 1}}{{8{z^2}{\pi ^2}}} - \frac{1}{{8iz{\pi ^2}}}\sum\limits_{n =  - \infty }^\infty  {\left( {\frac{1}{{iz + n}}} \right)}  =  - \frac{1}{{2{a^2}}} - \frac{1}{{4ia\pi }} \cdot \frac{\pi }{{\tan \left( {i\pi z} \right)}} =  - \frac{1}{{2{a^2}}} - \frac{1}{{4ia}}\cdot \frac{1}{{\tan \left( {i\dfrac{a}{2}} \right)}} =}

\displaystyle{=  - \frac{1}{{2{a^2}}} - \frac{1}{{4a}} \cdot \frac{{{e^{ - \dfrac{a}{2}}} + {e^{\dfrac{a}{2}}}}}{{{e^{ - \dfrac{a}{2}}} - {e^{\dfrac{a}{2}}}}} =  - \frac{1}{{2{a^2}}} + \frac{1}{{4a}} \cdot \frac{{{e^{\dfrac{a}{2}}} + {e^{ - \dfrac{a}{2}}}}}{{{e^{\dfrac{a}{2}}} - {e^{ - \dfrac{a}{2}}}}} \Rightarrow \boxed{\int\limits_0^\infty  {\frac{{\sin \left( {ax} \right)}}{{{e^{2\pi x}} - 1}}dx}  =  - \frac{1}{{2{a^2}}} + \frac{1}{{4a}} \cdot \frac{{{e^a} + 1}}{{{e^a} - 1}}}}

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Τρί Μάιος 17, 2011 11:36 pm
από Κοτρώνης Αναστάσιος
\displaystyle{55)} Δείξτε ότι \displaystyle{I:=\int_{-\infty }^{\infty }\int_{-\infty }^{\infty }{\rm sign}(x){\rm sign}(y)e^{-\frac{x^2+y^2}{2}}\sin (xy)\,dx\,dy=2\sqrt{2}\log (1+\sqrt{2})}, όπου

\displaystyle{{\rm sign}(x)=\begin{cases}1, & x>0 \\ 0, & x=0 \\ -1, & x<0\end{cases}}.

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Τετ Μάιος 18, 2011 10:08 pm
από Σεραφείμ
Κοτρώνης Αναστάσιος έγραψε:\displaystyle{55)} Δείξτε ότι \displaystyle{I:=\int_{-\infty }^{\infty }\int_{-\infty }^{\infty }{\rm sign}(x){\rm sign}(y)e^{-\frac{x^2+y^2}{2}}\sin (xy)\,dx\,dy=2\sqrt{2}\log (1+\sqrt{2})}, όπου

\displaystyle{{\rm sign}(x)=\begin{cases}1, & x>0 \\ 0, & x=0 \\ -1, & x<0\end{cases}}.
Με δεδομένο ότι \displaystyle{\left| {{\text{sign}}(x){\text{sign}}(y){e^{ - \dfrac{{{x^2} + {y^2}}}{2}}}\sin (xy)} \right| \leqslant {e^{ - \dfrac{{{x^2} + {y^2}}}{2}}}} και ότι \displaystyle{\int_{ - \infty }^\infty  {\int_{ - \infty }^\infty  {{e^{ - \dfrac{{{x^2} + {y^2}}}{2}}}dx} dy}  = \frac{\pi }{2}} (η απόδειξή του βρίσκεται .. παντού),

μπορούμε να «σπάσουμε» τα ολοκληρώματα σε \displaystyle{\int\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {..}  = \int\limits_{ - \infty }^0 {..}  + \int\limits_0^{ + \infty } {..} }

Τότε (εύκολα) καταλήγουμε στο \displaystyle{I = \int_{ - \infty }^\infty  {\left( {\int_{ - \infty }^\infty  {{\text{sign}}(x){\text{sign}}(y){e^{ - \dfrac{{{x^2} + {y^2}}}{2}}}\sin (xy)dx} } \right)dy}  = 4\int_0^\infty  {\int_0^\infty  {{e^{ - \dfrac{{{x^2} + {y^2}}}{2}}}\sin (xy)\;dx} \;dy} }

Κάνοντας τον μετασχηματισμό \displaystyle{x = r\cos u{\text{  \&    }}y = r\sin u} , η Ιακωβιανή δίδεται από \displaystyle{\frac{{\partial \left( {x,y} \right)}}{{\partial \left( {r,u} \right)}} = \left| {\begin{array}{*{20}{c}} 
   \begin{gathered} 
  \dfrac{{\partial x}}{{\partial r}} \hfill \\ 
   \hfill \\  
\end{gathered}  & \begin{gathered} 
  \dfrac{{\partial x}}{{\partial u}} \hfill \\ 
   \hfill \\  
\end{gathered}   \\  
   {\dfrac{{\partial y}}{{\partial r}}} & {\dfrac{{\partial y}}{{\partial u}}}  \\  
\end{array} } \right| = \left| {\begin{array}{*{20}{c}} 
   {\cos u} & { - r\sin u}  \\  
   {\sin u} & {r\cos u}  \\  
\end{array} } \right| = r} , οπότε

\displaystyle{I = 4\int\limits_0^{\pi /2} {\int\limits_0^\infty  {r \cdot {e^{ - {r^2}/2}}\sin \left( {\frac{{{r^2}}}{2}\sin \left( {2u} \right)} \right)\;dr\;} du}  = \mathop  = \limits^{{r^2}/2 = y}  = 4\int\limits_0^{\pi /2} {\int\limits_0^\infty  {{e^{ - y}}\sin \left( {y \cdot \sin \left( {2u} \right)} \right)\;dy} du} }

Όμως \displaystyle{\int_0^\infty  {{e^{ - y}}\sin \left( {y\sin \left( {2u} \right)} \right)dy}  = \frac{{\sin \left( {2u} \right)}}{{1 + {{\sin }^2}\left( {2u} \right)}}} (μετασχηματισμός Laplace : \displaystyle{\int\limits_0^\infty  {\sin \left( {ax} \right){e^{ - s \cdot x}}dx}  = \frac{a}{{{a^2} + {s^2}}}} ) και τελικά

\displaystyle{I = 4\int_0^{\pi /2} {\frac{{\sin \left( {2u} \right)}}{{1 + {{\sin }^2}\left( {2u} \right)}}du}  = \mathop  = \limits^{2u = x}  = 2\int_0^\pi  {\frac{{\sin \left( x \right)}}{{1 + {{\sin }^2}\left( x \right)}}dx}  = 2\left( {\int_0^{\pi /2} {\frac{{\sin \left( x \right)}}{{1 + {{\sin }^2}\left( x \right)}}dx}  + \int_{\pi /2}^\pi  {\frac{{\sin \left( y \right)}}{{1 + {{\sin }^2}\left( y \right)}}dy} } \right) = \mathop  = \limits^{y = \pi  - x}  = }

\displaystyle{ = 4\int_0^{\pi /2} {\frac{{\sin \left( x \right)}}{{1 + {{\sin }^2}\left( x \right)}}dx}  = \mathop  = \limits^{\cos x = y}  =  - 4\int\limits_0^1 {\frac{1}{{{y^2} - 2}}dy}  =  - \sqrt 2 \int\limits_0^1 {\left( {\frac{1}{{y - \sqrt 2 }} - \frac{1}{{y + \sqrt 2 }}} \right)dy}  =  - \sqrt 2 \left[ {\ln \left| {\frac{{y - \sqrt 2 }}{{y + \sqrt 2 }}} \right|} \right]_0^1 = 2\sqrt 2 \ln \left( {1 + \sqrt 2 } \right)} .

Edit : Διόρθωσα κάποια διαφορικά που ο δαίμονας του copy-paste τα διατήρησε.

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Τετ Μάιος 18, 2011 10:27 pm
από Κοτρώνης Αναστάσιος
Τέλεια! Μια ακόμα λύση (για το 55)) εδώ με λίγη μιγαδική τουρλουμπούκι..

.

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Τετ Μάιος 25, 2011 12:27 pm
από Κοτρώνης Αναστάσιος
56) \displaystyle{\int_0^{ + \infty } {\frac{{\cos t^2  - \sin t^2 }}{{1 + t^4 }}} dt}.

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Τετ Μάιος 25, 2011 1:27 pm
από dement
Ετσι για να σπάσω λίγο την ακολουθία Κοτρώνης-Σεραφείμ-Κοτρώνης...

Ολοκληρώνουμε την \displaystyle \frac{e^{iz^2}}{1 + z^4} στο πρώτο τεταρτημόριο (θετικός πραγματικός άξονας, τεταρτοκύκλιο και θετικός φανταστικός άξονας).

Θέτουμε \displaystyle I = \int_0^{+ \infty} \frac{\cos t^2 - \sin t^2}{1 + t^4} dt.

Από τον πραγματικό άξονα έχουμε \displaystyle \int_0^{+ \infty} \frac{\cos t^2 + i \sin t^2}{1 + t^4} dt ενώ από τον φανταστικό \displaystyle -i \int_0^{+ \infty} \frac{\cos t^2 - i \sin t^2}{1 + t^4} dt, δηλαδή συνολικά (1 - i) I. Το ολοκλήρωμα στο τεταρτοκύκλιο τείνει στο 0.

Ο πόλος στο e^{i \pi / 4} έχει υπόλοιπο \displaystyle r = \frac{e^{-3 \pi i / 4}}{4 e}, έτσι το ολοκλήρωμα ισούται με \displaystyle 2 \pi i r = (1-i) \frac{\pi}{2 \sqrt{2} e}.

Αρα \displaystyle I = \frac{\pi}{2 \sqrt{2} e}.

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Τετ Μάιος 25, 2011 2:10 pm
από kwstas12345
56 Μια απάντηση: Επειδή η συνάτηση μέσα στο ολοκλήρωμα είναι άρτια θα ισχύει ότι: \displaystyle \int_{0}^{+\infty}{\frac{\cos t^2-\sin t^2}{t^4+1}}dt=\frac{1}{2}\int_{-\infty}^{+\infty}{\frac{\cos t^2-\sin t^2}{t^4+1}}dt.

Όμως \displaystyle cos t^2-\sin t^2=\cos t^2+\cos \left(\frac{\pi}{4}+t^2 \right)=\sqrt{2}{\cos\left(\frac{\pi}{4}+t^2 \right)} άρα \displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty}{\frac{\cos t^2-\sin t^2}{t^4+1}}dt=\sqrt{2}\int_{-\infty}^{+\infty}{\frac{\cos \left(t^2+\frac{\pi}{4} \right)}{t^4+1}}dt.

Θεωρούμε την μιγαδική συνάρτηση \displaystyle f\left(z \right)=\frac{e^{i\left(\frac{\pi}{4}+z^2 \right)}}{z^4+1} η οποία έχει πόλους τις ρίζες της t^4+1 ή \displaystyle z^4+1=0\Leftrightarrow z^4+2z^2+1-2z^2=0\Leftrightarrow \left(z^2-\sqrt{2}z+1 \right)\left(z^4+\sqrt{2}z+1 \right)= \displaystyle 0\Leftrightarrow z=\pm \frac{\sqrt{2}}{2}\left( i+1\right),z=\pm \frac{\sqrt{2}}{2}\left( i-1\right).

Από αυτές μόνο οι \displaystyle z_{1}=\frac{\sqrt{2}}{2}\left(i+1 \right),z_{2}=\frac{\sqrt{2}}{2}\left(i-1 \right) βρίσκονται στο άνω ημιεπίπεδο.

Θεωρούμε κλειστή καμπύλη θετικά προσανατολισμένη, που να περιέχει τους δύο αυτούς πόλους άρα \displaystyle \int _{C} f\left(z \right)dz=2\pi i \left(Res_{z=z_{1}}f\left(z \right) +Res_{z=z_{2}}f\left( \right)\right).

Στο παρανισμαστή η συνάρτηση είναι μερόμορφη άρα:\displaystyle Res_{z=z_{1}}f\left(z \right)=\frac{\sqrt{2}}{2}\frac{e^{iz^2}}{\left(z^4+1 \right)'}_{z=z_{1}}=\frac{e^{-1}\left(i+1 \right)}{4\left(i-1 \right)} και \displaystyle Res_{z=z_{2}}f\left(z \right)=\frac{\sqrt{2}}{2}\frac{e^{iz^2}}{\left(z^4+1 \right)'}_{z=z_{1}}=\frac{e\left(i+1 \right)}{4\left(i+1 \right)}=\frac{e}{4}.\

Άρα : \displaystyle \int _{C} f\left(z \right)dz=\frac{\pi i}{2\left(i-1 \right)}\left(ei-e+e^{-1}i+e^{-1} \right).

Θέτουμε τώρα \displaystyle z=Re^{it}, dt=iRe^{it}, 0\leqslant t\leqslant \pi άρα \displaystyle \int_{0}^{\pi}{\frac{e^{R^2 e^{-2t}+\frac{i\pi}{4}}}{R^4e^{4it}+1}iRe^{it} dt}+\int_{-R}^{+R}{\frac{e^{i\left(t^2+\pi/4 \right)}}{t^4+1}}dt=\frac{\pi i}{2\left(i-1 \right)}\left(ei-e+e^{-1}i+e^{-1} \right)

Καθώς \displaystyle R\rightarrow +\infty \Rightarrow \lim_{R\rightarrow +\infty}\int_{0}^{\pi}{\frac{e^{i\left(t^2+\pi/4 \right)}}{R^4e^{4it}+1}}iRe^{it} dt=0.

Άρα \displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty}{\frac{e^{i\left(t^2+\pi/4} \right)}{t^4+1}}dt=\frac{i\pi e}{2}+\frac{\pi}{2e} ή \displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty}{\frac{\cos\left(t^2+\frac{\pi}{4} \right)}{t^4+1}}dt+i\int_{-\infty}^{+\infty}{\frac{\sin\left(t^2+\frac{\pi}{4} \right)}{t^4+1}}dt=\frac{\pi e i}{2}+\frac{\pi}{2e}.

Εξισώσονοντας πραγματικά και φανταστικά μέρη: \displaystyle \boxed{\int_{-\infty}^{+\infty}{\frac{\cos\left(t^2+\frac{\pi}{4} \right)}{t^4+1}}dt\frac{\pi}{2e}} και \displaystyle \boxed{\int_{-\infty}^{+\infty}{\frac{\sin\left(t^2+\frac{\pi}{4} \right)}{t^4+1}}dt=\frac{\pi e}{2}}.

Άρα : \displaystyle{\displaystyle \int_{0}^{+\infty}{\frac{\cos t^2-\sin t^2}{t^4+1}}dt=\frac{\sqrt{2}}{2}\int_{-\infty}^{+\infty}{\frac{\cos\left(t^2+\frac{\pi}{4} \right)}{t^4+1}}dt} Kαι τελικά: \displaystyle{\displaystyle \boxed{\int_{0}^{+\infty}{\frac{\cos t^2-\sin t^2}{t^4+1}}dt=\frac{\pi}{2\sqrt{2}e}}}

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Τετ Μάιος 25, 2011 8:35 pm
από Κοτρώνης Αναστάσιος
Άντε μπράβο βρε παιδιά. Παίξτε μας και μας λίγο...!

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Τετ Μάιος 25, 2011 10:04 pm
από kwstas12345
48 Να δειχτεί: \displaystyle \int_{0}^{+\infty}{\frac{dx}{\left(x^2+2ax+1 \right)^2}}=\frac{\left(2a+3 \right)\pi}{2^{7/2}(a+1)^{\frac{3}{2}}}.

Λύση: Άρχικά έστω a>1 τότε \displaystyle \int_{0}^{+\infty}{\frac{dx}{\left(x^2+2ax+1 \right)^2}}=\frac{1}{2}\int_{-\infty}^{+\infty}{\frac{dx}{\left(x^2+2ax+1 \right)^2}} τότε θεωρούμε την συνάρτηση \displaystyle f\left(z \right)=\frac{1}{\left(z^4+2az^2+1 \right)^2}.

Η συνάρτηση αυτή έχει πόλους 2ης τάξης τους αριθμούς \displaystyle \pm i\sqrt{a+\sqrt{a^2-1}},\pm i\sqrt{a-\sqrt{a^2-1}} από αυτούς βρίσκονται στο άνω ημιεπίπεδο οι \displaystyle i\sqrt{a+\sqrt{a^2-1}}, i\sqrt{a-\sqrt{a^2-1}}. Θεωρούμε κλιεστά θετική προσανατολισμένο ημικύκλιο ακτίνας R μεγαλύτερης του μέτρου των πόλων.

Tότε: \displaystyle \int _{C}f\left(z \right)dz=2\pi \sum_{k=1}^{2}{Res_{z=z_{1}} f\left(\left(z \right) \right)}. Έστω \displaystyle z_{1}=i\sqrt{a+\sqrt{a^2-1}},z_{2}=i\sqrt{a-\sqrt{a^2-1}} τότε:

\displaystyle Res_{z=z_{1}}f\left(z \right)=\frac{1}{1!}\lim_{z\rightarrow z_{1}}\left[\left(z-z_{1} \right)^2 f\left(z \right) \right]'=\lim_{z\rightarrow z_{1}}\left[\frac{1}{\left(z+z_{1} \right)\left(z^2-z_{2}^2 \right)^2} \right]' \displaystyle \lim_{z\rightarrow z_{1}}\frac{2\left(z_{2}^2-x\left(2z_{1}+3x \right) \right)}{\left(z_{1}+z \right)^3\left(z^2-z_{2}^2 \right)^3}=\frac{z_{2}^2-5z_{1}^2}{4z_{1}^3\left(z_{1}^2-z_{2}^2 \right)^3}

Όμοια θα είναι \displaystyle Res_{z=z_{2}}f\left(z \right)=\frac{z_{1}^2-5z_{2}^2}{4z_{2}^3\left(z_{1}^2-z_{2}^2 \right)^3}.

Άρα το αθροισμά των Residue θα είναι \displaystyle \frac{z_{2}^5-5z_{1}^2z_{2}^3-z_{1}^{5}+5z_{2}^3z_{1}^2}{4\left(z_{1} z_{2} \right)^3\left(z_{1}-z_{2}^2 \right)^3}.

Επειδή \displaystyle z_{1}z_{2}=-\sqrt{\left(a-\sqrt{a^2-1} \right)\left(a+\sqrt{a^2-1} \right)}=-1 και \displaystyle \left(z_{2}-z_{1} \right)\left(z_{1}^4+z_{2}^4+z_{1}^2z_{2}^2+z_{1}^3z^{2}_{2}+z_{2}^2z^{3}_{1} \right)

Και προκύπτει \displaystyle \frac{z_{2}^5-5z_{1}^2z_{2}^3-z_{1}^{5}+5z_{2}^3z_{1}^2}{4\left(z_{1} z_{2} \right)^3\left(z_{1}-z_{2}^2 \right)^3}=\frac{\left(z_{2}-z_{1} \right)\left(2a+3 \right)}{16(a+1)^{3/2}\sqrt{a-1}}.

Άρα \displaystyle \int _{C}f\left(z \right)dz=\pi i \frac{\left(z_{2}-z_{1} \right)\left(2a+3 \right)}{8\sqrt{a-1}\left(a+1 \right)^{3/2}}, όμως \displaystyle i\left(z_{2}-z_ {1}\right)=\sqrt{a+\sqrt{a^2-1}}-\sqrt{a-\sqrt{a^2-1}}=\sqrt{\frac{a-1}{2}} απλά με ύψωση στο τετραγωνο.

Άρα \displaystyle \displaystyle \int _{C}f\left(z \right)dz= \frac{\pi\left(2a+3 \right)}{2^{5/2}\left(a+1 \right)^{3/2}}. Θέτωντας \displaystyle z=Re^{it}, dz=iRe^{it}\Rightarrow.

και \displaystyle \int _{C} f\left(z \right)dz=\int_{-R}^{R}{\frac{dz}{\left(z^4+2az^2+1 \right)^2}}+\int_{0}^{\pi}{\frac{iRe^{it}dt}{\left(R^{4}e^{4it}+2aR^2e^{2it}+1 \right)}}.

Τώρα \displaystyle \left|R^4 e^{4it}+2aR^2 e^{2it}+1 \right|\geqslant \left|\left|R^4 e^{4it} \right|-\left|2aR^2 e^{2it}+1 \right| \right|\geqslant

\displaystyle \left|R^4 e^{4it} \right|-\left|2aR^2 e^{2it}+1  \right|\geqslant R^4-\left|2aR^2e^{2it} \right|-1=R^4-2aR^2+1 έτσι \displaystyle \left|\int_{0}^{\pi}{\frac{Rie^{it}dt}{R^4e^{4it}+2aR^{2}e^{2it}+1}} \right|\leqslant \int_{0}^{\pi}{\left|\frac{Rie^{it}}{R^4e^{4it}+2aR^{2}e^{2it}+1} \right|dt}\leqslant \displaystyle  \int_{0}^{\pi}{\frac{Rdt}{R^4+2aR^2+1}}=\frac{\pi R}{R^4+2aR^2+1}\rightarrow 0, R\rightarrow +\infty

άρα \displaystyle \lim_{R\rightarrow \infty}\int_{0}^{}{\pi}{\frac{Rie^{it}dt}{R^4e^{4it}+2aR^{2}e^{2it}+1}}=0 αλλίώς από το λήμμα Jordan κατευθείαν.

Άρα \displaystyle \boxed{\int_{-\infty}^{\infty}{\frac{dx}{\left(x^4+2ax^2+1 \right)^2}}=\frac{\pi \left(2a+3 \right)}{2^{5/2}\left(a+1 \right)^{3/2}}} και έτσι \displaystyle \boxed{\int_{0}^{\infty}{\frac{dx}{\left(x^4+2ax^2+1 \right)^2}}=\frac{\pi \left(2a+3 \right)}{2^{7/2}\left(a+1 \right)^{3/2}}}.

Άν \displaystyle a< -1 τότε οι ρίζες είναι πάνω στον πραγματικό άξονα και είναι οι εξής τέσερρις \displaystyle \pm \sqrt{-a-\sqrt{a^2-1}}, \pm \sqrt{-a+\sqrt{a^2-1}} .

Όμοια θα κινηθούμε για τις διάφορες τιμές του α για να δούμε αν έχουμε μιγαδικές η πραγματικές ρίζες.Ωστόσο οι πραγματικές ρίζες κάθε φορά δεν είναι απλές και ίσως να μη ισχύει ο τύπος \displaystyle \int _{C} f\left(z \right)dz=\pi i \sum_{k=1}^{n}{Resf\left(z \right)}.

Ο αρχικός τύπος δεν ισχύει όταν το a είναι -1 ή +1.Αε κρατήσουμε τον πάνω για a>1, ίσως να χρειαστεί διευκρίνηση για τους τιμές της παραμέτρου.

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Πέμ Μάιος 26, 2011 9:04 am
από Σεραφείμ
Κοτρώνης Αναστάσιος έγραψε:Άντε μπράβο βρε παιδιά. Παίξτε μας και μας λίγο...!
:) :)

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Κυρ Μάιος 29, 2011 12:09 pm
από Κοτρώνης Αναστάσιος
57) \displaystyle{\int_{ - \infty }^{ + \infty } {\frac{{\cos x - 1}}{{x^2 \left( {x^2  + a} \right)}}dx} }, για a>0.

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Κυρ Μάιος 29, 2011 6:42 pm
από kwstas12345
Eλπίζω να είμαι σωστός. Θεωρούμε την μιγαδική συνάρτηση \displaystyle f\left(z \right)=\frac{e^{iz}-1}{z^2\left(z^2+a \right)}. Η συνάρτηση έχει σαν απλούς πόλους τους φανταστικούς \displaystyle \pm i\sqrt{a} και από αυτούς μόνο ο \displaystyle  i\sqrt{a} βρίσκεται στο άνω ημιεπίπεδο.

Το μηδέν είναι ρίζα 2ης τάξης του παρανομαστή καθώς \displaystyle (z^2(z^2+a))''=2a,z=0, (z^2(z^2+a))'=0,z=0 και είζα πρώτης τάξης του αριθμητή καθώς \displaystyle \left(e^{iz}-1 \right)'=ie^{iz}\neq 0, για z=0 άρα είναι πόλος 2-1=1 τάξης της συνάρτησης.

'Αρα: \displaystyle Res\left(f,0 \right)=\frac{1}{0!}\lim_{z\rightarrow 0}\frac{e^{iz}-1}{z\left(z^2+a \right)}=\lim_{z\rightarrow 0}\frac{\left(e^{iz}-1 \right)'}{\left(z \left(z^2+a \right)\right)'}=\frac{i}{a}

Άρα θεωρώντας θετικά προσανατολισμένη ημιπεριφέρεια ακτίνας R μεγαλύτερη από α θα έχουμε \displaystyle \int _{C} f\left(z \right)=2\pi Res\left(f,ai \right)+i\pi Res\left(f,0 \right) και \displaystyle Res\left(f,0 \right)=\frac{e^{-\sqrt{a}}-1}{\left(x^2 \left(x^2+a \right) \right)'}=\frac{e^{-\sqrt{a}}-1}{-2ia\sqrt{a}}.

Άρα \displaystyle \int _{C} f\left(z \right)dz=2\pi i \left(\frac{1-e^{-\sqrt{a}}}{2ia\sqrt{a}} \right)+i\pi\frac{i}{a}=-\frac{\pi\left(-1+\sqrt{a}+e^{-\sqrt{a}} \right)}{a\sqrt{a}} και με \displaystyle z=Re^{it}=R\left(\cos \theta +i \sin \theta  \right) έχουμε \displaystyle \int_{-R}^{R}{\frac{e^{ix}-1}{x^2\left(x^2+a \right)}}dx+\int_{0}^{\pi}{\frac{e^{iR\cos \theta }\cdot e^{-R\sin \theta }-1}{R^2e^{2it}\left(R^2e^{2it}+a \right)}}Re^{it}dt= \displaystyle -\frac{\pi\left(-1+\sqrt{a}+e^{-\sqrt{a}} \right)}{a\sqrt{a}}

Αφήνωντας \displaystyle R\rightarrow \infty : \displaystyle \left|\int_{0}^{\pi}{\frac{e^{iR\cos \theta }\cdot e^{-R\sin \theta }-1}{R^2e^{2it}\left(R^2e^{2it}+a \right)}}iRe^{it}dt \right|\leqslant \int_{0}^{\pi}{\left|{\frac{e^{iR\cos \theta }\cdot e^{-R\sin \theta }-1}{R^2e^{2it}\left(R^2e^{2it}+a \right)}}iRe^{it} \right|}dt\leqslant \displaystyle  \int_{0}^{\pi}\frac{\left|e^{iR\cos \theta }\cdot e^{-R \sin \theta } \right|+1}{R^2\left(\left|R^2-a \right| \right)}R dt\rightarrow 0

Άρα \displaystyle \lim_{R\rightarrow \infty}\int_{0}^{\pi}{\frac{Re^{i\cos \theta -R\sin \theta }-1}{R^{2}e^{2it}\left(R^{2}e^{2it}+a \right)}iRe^{it}dt}0 και έτσι \displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty}{\frac{e^{ix}-1}{x^2\left(x^2+a \right)}}dx= -\frac{\pi\left(-1+\sqrt{a}+e^{-\sqrt{a}} \right)}{a\sqrt{a}}.

Εξισώνοντας φανταστικά και πραγματικά μέρη βρίσκω \displaystyle \boxed{\int_{-\infty}^{+\infty}{\frac{\cos x-1}{x^2\left(x^2+a \right)}}dx= -\frac{\pi\left(-1+\sqrt{a}+e^{-\sqrt{a}} \right)}{a\sqrt{a}}}

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Τρί Μάιος 31, 2011 12:43 am
από kwstas12345
Βάζω μια προσπάθεια για την άσκηση 30: Aρχικά θα διακρίνουμε περιπτώσεις για τις τιμές των a,m. Αρχικά:

Άν \displaystyle m=0,a\neq 0 το ολοκλήρωμα γίνεται: \displaystyle \int_{0}^{2\pi}{\frac{1-a \sin \theta }{1-2a\sin \theta +a^2}}d\theta, θεωρούμε έπειτα \displaystyle z=e^{i\theta },0\leqslant \theta  \leqslant 2\pi\Rightarrow  \sin \theta =\frac{e^{i\theta }-e^{-i\theta }}{2}=\frac{z^2-1}{2iz}, d\theta =\frac{d\theta }{iz} άρα

\displaystyle  \int_{0}^{2\pi}{\frac{1-a \sin \theta }{1-2a\sin \theta +a^2}}d\theta=\oint _{C}\frac{1-a \displaystyle {\frac{z^2-1}{2iz}}}{1-2a\displaystyle{\frac{z^2-1}{2iz}}+a^2}\frac{dz}{iz}= \displaystyle =\oint_{C} \frac{2iz-a\left(z^2-1 \right)}{2iz\left(zi\left(a^2+1 \right)+a-az^2 \right)}dz με C ο μοναδιαίος κύκλος.

Λυνουμε την εξίσωση \displaystyle zi\left(a^2+1 \right)+a-az^2=0\Leftrightarrow x=ia, x=\frac{i}{a} που είναια πλοί πόλοι και μόνο ο ai βρίσκεται στο εσωτερικό του κύκλου άρα \displaystyle Res\left(f,ai \right)=\frac{2i\left(ai \right)-a\left(-a^2-1 \right)}{2i\left(ai \right)\left(i\left(a^2+1 \right)-2a^2 i \right)}=\frac{1}{2i}

και το 0 απλή ρίζα άρα \displaystyle Res\left(f,0 \right)=\frac{2iz-a\left(z^2-1 \right)}{2i\left(zi\left(a^2+1 \right) +a-az^2\right)}=\frac{1}{2i} άρα \displaystyle \oint_{C} \frac{2iz-a\left(z^2-1 \right)}{2iz\left(zi\left(a^2+1 \right)+a-az^2 \right)}dz=2\pi i\left(\frac{1}{2i}+\frac{1}{2i} \right)=2\pi

Άν \displaystyle a=0,m\neq 0 τότε \displaystyle \int_{0}^{2\pi}{e^{m \cos \theta }\cos\left(m\sin \theta  \right)}d\theta =\oint_{C} e^{\displaystyle{m\frac{z^2+1}{2z}}\cos\left(m\cdot\frac{z^2-1}{2i} \right)}\frac{1}{zi} dz= \displaystyle =\frac{1}{2i}\oint_{C} e^{\displaystyle {m\frac{z^2+1}{2z}}}\left(e^{\displaystyle{m\frac{z^2-1}{2z}}}+e^{\displaystyle{-m\frac{z^2-1}{2z}}} \right)\frac{dz}{z} \displaystyle =\frac{1}{2i}\oint_{C}\left(e^{\displaystyle{mz}}+e^{\displaystyle{\frac{m}{z}}} \right)\frac{1}{z}dz

H τελευταία συνάρτηση μέσα στο ολοκλήρωμα παρουσιάζει ουσιώδη ανωμαλία στο 0 άρα με ανάπτυξη Laurent: \displaystyle e^{mz}=\sum_{n=0}^{+\infty}{\frac{\left(mz \right)^{n}}{n!}},e^{\frac{m}{z}}=\sum_{n=0}^{+\infty}{\frac{m^{n}z^{-n}}{n!}} έτσι \displaystyle \frac{1}{z}\left(e^{mz}+e^{m/z} \right)=\sum_{n=0}^{+\infty}{\left(\frac{m^{n}z^{n-1}}{n!}+\frac{m^{n}z^{-n-1}}{n!} \right)}

Eδώ \displaystyle Res\left(f,0 \right)=a_{-1}=2\Rightarrow \frac{1}{2i}\oint_{C}\left(e^{\displaystyle{mz}}+e^{\displaystyle{\frac{m}{z}}} \right)\frac{1}{z}dz=2\pi άρα και το αρχικό ισούται με 2\pi.Άν \displaystyle a=m= 0 τότε το αρχικό θα γίνει \displaystyle \int_{0}^{2\pi}{dx}=2\pi.

Άν ταυτόχρονα δεν είναι 0 τότε έχουμε βρεί: \displaystyle e^{m\cos \theta }\cos\left(m\sin \theta  \right)=\frac{1}{2}\left(e^{mz}+e^{m/z} \right) και \displaystyle \sin \left(m\sin \theta +\theta  \right)=\sin \left(m\sin \theta  \right)\cos \theta +\cos\left(m\sin \theta  \right)\sin \theta =\sin \left(m\frac{z^2-1}{2iz} \right)\left(\frac{z^2+1}{2z} \right)+

\displaystyle \cos\left(m\frac{z^2-1}{2iz} \right)\left(\frac{z^2-1}{2iz} \right)=\frac{1}{4z}\left[\left(e^{\displaystyle m\frac{z^2-1}{2z}}-e^{\displaystyle{-m\frac{z^2-1}{2z}}} \right)\left(z^2+1 \right)-i\left(e^{\displaystyle{m\frac{z^2-1}{2z}}} +e^{\displaystyle{-m\frac{z^2-1}{2z}}}\right)\left(z^2-1 \right) \right]= \displaystyle \frac{1}{4z}\left[e^{\displaystyle{m\frac{z^2-1}{2z}}}\left(z^2\left(1-i \right)+i+1 \right)+e^{\displaystyle{-m\frac{z^2-1}{2z}}}\left(i-1-z^2\left(i+1 \right) \right) \right]

Άρα \displaystyle e^{m\cos \theta } \sin\left(m\sin \theta +\theta  \right)=\frac{1}{4z}\left[e^{mz}\left(z^2\left(1-i \right) +i+1\right)+e^{m/z}\left(i-1-z^2\left(i+1 \right) \right) \right] άρα ο αριθμητής ισούται με

\displaystyle \frac{1}{4z}\left[2z\left(e^{mz}+e^{m/z} \right)-a\left[e^{mz}\left(z^2\left(1-i \right) +i+1\right)+e^{m/z}\left(i-1-z^2\left(i+1 \right) \right) \right] \right]= \displaystyle \frac{1}{4z}\left[e^{mz}\left(2z-az^2\left(1-i \right)-a\left(i+1 \right) \right)+e^{m/z}\left(2z+az^2\left(i+1\right)-a\left(i-1 \right) \right) \right]

και ο αριθμητής \displaystyle 1-2a\sin \theta +a^2=1-2a\frac{z^2-1}{2i}+a^2=1+i\left(z^2-1 \right)+a^2 άρα το κλάσμα ισούται με \displaystyle \frac{e^{mz}\left(2z-az^2\left(1-i \right)-a\left(i+1 \right) \right)+e^{m/z}\left(2z+az^2\left(i+1\right)-a\left(i-1 \right) \right) }{aiz^2+z\left(a^2+1 \right)-ai}.

Άρα \displaystyle \int_{0}^{2\pi}{\frac{e^{\displaystyle{m\cos \theta }}\left(\cos\left(m\sin \theta  \right)-a\sin\left(m\sin \theta +\theta  \right) \right)}{1-2a\sin \theta +a^2}}d\theta =\frac{1}{4i}\oint \frac{e^{mz}\left(2z-az^2\left(1-i \right)-a\left(i+1 \right) \right)+e^{m/z}\left(2z+az^2\left(i+1\right)-a\left(i-1 \right) \right) }{z\left(aiz^2+z\left(a^2+1 \right)-ai \right)}dz.

Δύο ρίζες του παρανομαστή είναι τα ai,i/a από τις οπίες μόνο η πρώτη είναι μέσα στον κύκλο. Άρα: \displaystyle Res\left(f,ai \right)=\frac{\left[\left(i-1 \right)e^{mai}+\left(i+1 \right)e^{-\frac{mi}{a}} \right]}{i}.

Στο μηδέν πάλι έχουμε ουσιώδη ανωμαλία άρα:

\displaystyle \frac{1}{z}e^{mz}\left(2z-az^2\left(1-i \right)-a\left(i+1 \right) \right)=\sum_{n=0}^{+\infty}{\frac{m^n z^n}{n!}\left(2-az\left(1-i \right)-az^{-1}\left(i+1 \right) \right)}= \displaystyle \sum_{n=0}^{+\infty}{\left(\frac{2m^n z^n}{n!}+a\left(i-1 \right)\frac{m^n z^{n+1}}{n!}-\left(i+1 \right)\frac{m^n z^{n-1}}{n!} \right)}

\displaystyle \frac{1}{\left(z-ai \right)\left(z-i/a \right)}=\frac{1}{\left(ai-i/a \right)}\left(\frac{a}{i\left(1-az/i \right)}-\frac{\left(ai \right)^{-1}}{1-z/ai} \right)= \displaystyle \frac{1}{i\left(ai-i/a \right)}\sum_{n=0}^{+\infty}{\left(a\left(\frac{az}{i} \right)^n+\frac{1}{a}\left(\frac{z}{ai} \right)^n \right)}.

Άρα η \displaystyle \frac{e^{mz}\left(2-az\left(1-i \right)-a/z \left(i+1 \right) \right)}{aiz^2+z\left(a^2+1 \right)-ai}=\left(\sum_{n=0}^{+\infty}{\left(\frac{2m^n z^n}{n!}+a\left(i-1 \right)\frac{m^n z^{n+1}}{n!}-\left(i+1 \right)\frac{m^n z^{n-1}}{n!} \right)} \right)\left(\frac{1}{i\left(ai-i/a \right)}\sum_{n=0}^{+\infty}{\left(a\left(\frac{az}{i} \right)^n+\frac{1}{a}\left(\frac{z}{ai} \right)^n \right)} \right) κατα Laurent (έχουμε σπάσει σε άθροισμα την συναρτηση).

O ο συντελεστής του z^{-1} είναι ένας, ό \displaystyle -\left(i+1 \right)\frac{a^2+1}{1-a^2}, το υπόλοιπο κομμάτι: \displaystyle e^{m/z}z^{-1}\left(2z+az^2\left(i+1 \right)-a\left(i-1 \right) \right)=\sum_{n=0}^{+\infty}{\left(\frac{2m^n z^{-n}}{n!}+\left(i+1 \right)\frac{am^n z^{1-n}}{n!}-a\left(i-1 \right)\frac{m^n z^{-1-n}}{n!} \right)}.

Άρα \displaystyle \frac{e^{m/z}z^{-1}\left(2z+az^2\left(i+1 \right)-a\left(i-1 \right) \right)}{\left(z-ai \right)\left(z-i/a \right)}= \displaystyle \left(\sum_{n=0}^{+\infty}{\left(\frac{2m^n z^{-n}}{n!}+\left(i+1 \right)\frac{am^n z^{1-n}}{n!}-a\left(i-1 \right)\frac{m^n z^{-1-n}}{n!} \right)} \right)\left(\frac{1}{i\left(ai-i/a \right)}\sum_{n=0}^{+\infty}{\left(a\left(\frac{az}{i} \right)^n+\frac{1}{a}\left(\frac{z}{ai} \right)^n \right)} \right)

Στους πολλαπλασιασμούς τώρα: \displaystyle \left(\frac{a}{i\left(ai-i/a \right)} \right)\left(\sum_{n=0}^{+\infty}{\frac{2m^n z^{-n}}{n!}} \right)\left(\sum_{n=0}^{+\infty}\left(\frac{az}{i} \right)^n \right) εδώ ο συντελεστής είναι \displaystyle \left(1+\frac{m}{z}+\frac{m^2z^{-2}}{2!}+... \right)\left(1+\frac{az}{i}+\frac{\left(az^2 \right)^2}{i^2}+... \right)\Rightarrow

\displaystyle  \frac{m}{2}+\frac{ma}{2! i}+...+\left(\frac{a}{i} \right)^k \frac{m^{k+1}}{\left(k+1 \right)!}+...=\sum_{k=0}^{+\infty}{\frac{m^{k+1}}{\left(k+1 \right)!}\left(\frac{a}{i} \right)^{k}}= \displaystyle \frac{i}{a}\sum_{k=0}^{+\infty}{\left(\frac{ma}{i} \right)^{k+1}\frac{1}{\left(k+1 \right)!}}=\frac{i}{a}e^{-mai}

Άρα από εδώ ο συντελεστής είναι \displaystyle \frac{2a i}{1-a^2}e^{-mai}

\displaystyle \frac{2}{1-a^2}\sum_{n=0}^{+\infty}{\frac{m^n z^{-n}}{n!}} \cdot \sum_{n=0}^{+\infty}{\left(\frac{z}{ai} \right)^n}=\frac{2}{1-a^2}\left(1+m/2z+\frac{m^2}{2!z^2}+... \right)\left(1+\frac{z}{ai}+\frac{z^2}{a^2 i^2}+... \right)ai\Rightarrow \displaystyle \frac{2}{1-a^2}\sum_{n=0}^{+\infty}{\left(-\frac{mi}{a} \right)^{k+1}\frac{1}{\left(k+1 \right)!}}=\frac{2ai}{1-a^2} e^{-\frac{m}{a} i}

Aκόμη \displaystyle \frac{a^2\left(i+1 \right)}{1-a^2}\sum_{k=0}^{+\infty}{\frac{m^{n}z^{1-n}}{n!}}\cdot \sum_{k=0}^{+\infty}{\left(\frac{za}{i} \right)^n}\Rightarrow a_{-1}= \displaystyle\frac{a^2\left(i+1 \right)}{1-a^2}\sum_{k=2}^{+\infty}{\frac{m^{k}}{k!}\left(\frac{a}{i} \right)^{k-2}}=\frac{i+1}{a^2-1}\sum_{k=2}^{+\infty}{\left(-mai \right)^k \frac{1}{k!}}=\frac{i+1}{a^2-1}\left(e^{-maik}-1+mai \right)

\displaystyle \frac{a^2\left(i+1 \right)}{1-a^2}\sum_{k=0}^{+\infty}{\frac{m^{n}z^{1-n}}{n!}}\cdot \sum_{k=0}^{+\infty}{\left(\frac{z}{ai} \right)^n}\Rightarrow a_{-1}= \displaystyle \frac{a^2\left(i+1 \right)}{1-a^2}\sum_{k=2}^{+\infty}{\frac{m^{k}}{k!}\left(\frac{1}{ai} \right)^{k-2}}=\frac{a^4\left(i+1 \right)}{1-a^2}\sum_{k=2}^{+\infty}{\left(-mi/a \right)^k \frac{1}{k!}}=a^4\frac{i+1}{a^2-1}\left(e^{-\frac{mi}{a}}-1-\frac{mi}{a} \right)

\displaystyle \frac{a^3\left(i-1 \right)}{a^2-1}\sum_{n=0}^{+\infty}{\frac{m^n z^{-1-n}}{n!}}\cdot \sum_{n=0}^{+\infty}{\left(\frac{az}{i} \right)^n}\Rightarrow \frac{a^3\left(i-1 \right)}{a^2-1}\sum_{n=0}^{+\infty}{\left(-mai \right)^k \frac{1}{k!}}= \displaystyle \frac{a^3\left(i-1 \right)}{a^2-1}e^{-mai}

\displaystyle  \frac{a\left(i-1 \right)}{a^2-1}\sum_{n=0}^{+\infty}{\frac{m^n z^{-1-n}}{n!}}\cdot \sum_{n=0}^{+\infty}{\left(\frac{z}{ai} \right)^n}\Rightarrow \frac{a\left(i-1 \right)}{a^2-1}\sum_{n=0}^{+\infty}{\left(-\frac{mi}{a} \right)^k \frac{1}{k!}}= \displaystyle \frac{a\left(i-1 \right)}{a^2-1}e^{-\frac{mi}{a}}.

Τελικά προσθέτουμε όλα τους συντελεστές του 1/z μαζί με το Res στο ai και πολλαπλασιάζουμε με 2\pi i. Η πρόταση που βασηστήκαμε είναι οτι σε περίπτωση ουσιώδους ανωμαλίας το Res είναι ο συντελεστής του όρου 1/z στο ανάπτυγμα Laurent της συνάρτησης.

Oι πράξεις είαι πολλές, αλλάπιστεύω η σωστή διαδικασία είναι αυτή.

Re: Γενικευμένα Ολοκληρώματα

Δημοσιεύτηκε: Παρ Ιουν 03, 2011 5:40 pm
από kwstas12345
Μια προσπάθεια , η οποία δεν νομίζω να οδηγεί σε λύση για τον υπολογισμό του \displaystyle \displaystyle{\int_{0}^{1}{\frac{\sqrt{1-x^2}}{1-x^2 \sin^2 x}}dx} με μιγαδική ανάλυση.

Αρχικά κάνουμε την αντικατάσταση \displaystyle x=\cos t,  0\leqslant t \leqslant \frac{\pi}{2} τότε \displaystyle \int_{0}^{1}{\frac{\sqrt{1-x^2}}{1-x^2 \sin^2 x}}dx=\int_{0}^{\frac{\pi }{2}}{\frac{\sin^2 t dt}{1-\cos^2 t \sin^2 \left(\cos t \right)}}, στο τελευταίο με αντικατάσταση \displaystyle y=\pi-x

τότε \displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi }{2}}{\frac{\sin^2 t dt}{1-\cos^2 t \sin^2 \left(\cos t \right)}}=\int_{\frac{\pi}{2}}^{\pi}{\frac{\sin^2t dt}{1-\cos^2 t \sin^2 \left(\cos t \right)}} άρα \displaystyle 2 \int_{0}^{1}{\frac{\sqrt{1-x^2}}{1-x^2 \sin^2 x}}dx=\int_{0}^{\frac{\pi }{2}}{\frac{\sin^2t dt}{1-\cos^2 t \sin^2 \left(\cos t \right)}}+\int_{\frac{\pi}{2}}^{\pi}{\frac{\sin^2 t dt}{1-\cos^2 t \sin^2 \left(\cos t \right)}}= \displaystyle \int_{0}^{\pi}{\frac{\sin^2 t dt}{1-\cos^2 t \sin^2 \left(\cos t \right)}} }}

To τελευαταίο με την αντικατάσταση \displaystyle u=2\pi-x \displaystyle \int_{0}^{\pi}{\frac{\sin^2 t dt}{1-\cos^2 t \sin^2 \left(\cos t \right)}}=\int_{\pi}^{2\pi}{\frac{\sin^2 t dt}{1-\cos^2 t \sin^2 \left(\cos t \right)}}\Rightarrow 4\int_{0}^{1}{\frac{\sqrt{1-x^2}}{1-x^2 \sin^2 x}}dx= \displaystyle \int_{0}^{2\pi}{\frac{\sin^2 t dt}{1-\cos^2 t \sin^2 \left(\cos t \right)}}.

Τώρα θεωρούμε την αντικατάσταση \displaystyle z=e^{it}, dt=\frac{dz}{iz} ,\displaystyle \int_{0}^{2\pi}{\frac{dt}{1-\cos^2 t \sin^2 \left(\cos t \right)}}=\frac{16}{i}\oint_{C} z\left[16z^2+\left(z^2+1 \right)^2 \left(e^{\displaystyle{i\frac{z^2+1}{2z}}}- e^{\displaystyle{-i\frac{z^2+1}{2z}}}\right) \right]^{-1} dz

όπου C αριστερόστροφος μοναδιαίος κύκλος καθώς χρισημοποιήθηκαν οι τύποι: \displaystyle \cos \theta =\frac{e^{i\theta }-e^{-i\theta }}{2},\sin  \theta =\frac{e^{i\theta }-e^{-i\theta }}{2i}. Επειδή όλοι οι πόλοι βρίσκονται εντός του κύκλου μας (από wolfram) με την χρήση του

\displaystyle \sum_{i=0}^{n}{Res\left(f,0 \right)}=-Res\left(f, \infty \right)=-Res\left(-\frac{1}{z^2}f\left(\frac{1}{z} \right) ,0\right) αρκεί να βρούμε το ρεσιντιου της \displaystyle -\frac{1}{z^2}f\left(\frac{1}{z} \right) στο μηδέν.Τώρα \displaystyle -\frac{1}{z^2}f\left(\frac{1}{z} \right)=-\frac{z}{16z^2+\left(z^2+1 \right)A^{2}\left(z \right)}, A\left(z \right)=\displaystyle{e^{\displaystyle{\frac{i}{2}\left(z+\frac{1}{z} \right)}}-e^{\displaystyle{-\frac{i}{2}\left(z+\frac{1}{z} \right)}}} και

\displaystyle \frac{8z}{16z^2+\left(z^2+1 \right)A^{2}\left(z \right)}=\frac{1}{4z-i\left(z^2+1 \right)A\left(z \right)}+\frac{1}{4z+i\left(z^2+1 \right)A\left(z \right)}= \displaystyle \frac{1}{4z}\left(\frac{1}{\displaystyle{1-\frac{i\left(z^2+1 \right)A\left(z \right)}{4z}}}+ \frac{1}{\displaystyle{1-\frac{i\left(z^2+1 \right)A\left(z \right)}{4z}}}\right). Τώρα θα χρησιμοποιήσουμε τις γνωστές \displaystyle \frac{1}{1-z}=\sum_{n=0}^{\infty}{z^n}, e^{z}=\sum_{n=0}^{\infty}{\frac{z^n}{n!}}.

Άρα \displaystyle \frac{1}{\displaystyle{1-\frac{i\left(z^2+1 \right)A\left(z \right)}{4z}}}+ \frac{1}{\displaystyle{1+\frac{i\left(z^2+1 \right)A\left(z \right)}{4z}}}=\sum_{n=0}^{\infty}{\left(\frac{i\left(z^2+1 \right)A\left(z \right)}{4z}} \right)^n+\sum_{n=0}^{\infty}{\left(\frac{-i\left(z^2+1 \right)A\left(z \right)}{4z}} \right)^n \displaystyle =2\sum_{n=0,n=2m}^{\infty}{\left(\frac{i\left(z^2+1 \right)A\left(z \right)}{4z}} \right)^n

\displaystyle \frac{i\left(z^2+1 \right)A\left(z \right)}{4z}=\frac{i}{4}\left(z+\frac{1}{z} \right)\left(\sum_{k=0}^{\infty}{\frac{1}{k!}\left(\frac{i}{2} \right)^k \left(z+\frac{1}{z} \right)^k} -\sum_{k=0}^{\infty}{\frac{1}{k!}\left(-\frac{i}{2} \right)^k \left(z+\frac{1}{z} \right)^k}\right) \displaystyle \frac{i}{2}\left(z+\frac{1}{z} \right)\left(\sum_{k=1,k=2m+1}^{\infty}{\left(\frac{i}{2} \right)^k \frac{1}{k!}\left(z+\frac{1}{z} \right)^k} \right)=\left(\sum_{k=1,k=2m+1}^{\infty}{\left(\frac{i}{2} \right)^{k+1} \frac{1}{k!}\left(z+\frac{1}{z} \right)^{k+1}} \right)

Άρα \displaystyle 2\sum_{n=0,n=2m}^{\infty}{\left(\frac{i\left(z^2+1 \right)A\left(z \right)}{4z}} \right)^n=2\sum_{n=0,n=2m}^{\infty}{\left(\left(\sum_{k=1,k=2m+1}^{\infty}{\left(\frac{i}{2} \right)^{k+1} \frac{1}{k!}\left(z+\frac{1}{z} \right)^{k+1}} \right) \right)}^n, και συνεπώς αναζητάμε τον σταθερό συντελεστή της παραπάνω παράστασης.

Tώρα \displaystyle \left(z+\frac{1}{z} \right)^{k+1}=\displaystyle{\binom {k+1}{\displaystyle{\frac{k+1}{2}}}}+\sum_{j=2,j=2m}^{k+1}{\binom {k+1}{\displaystyle{\frac{k+j+1}{2}}}\left(z^{j}+z^{-j} \right)} άρα \displaystyle {\left(\frac{i}{2} \right)^{k+1} \frac{1}{k!}\left(z+\frac{1}{z} \right)^{k+1}} \right) \right)=\left(\frac{i}{2} \right)^{k+1} \frac{1}{k!}\binom {k+1}{\displaystyle{\frac{k+1}{2}}}}+{\left(\frac{i}{2} \right)^{k+1} \frac{1}{k!}\sum_{j=2,j=2m}^{k+1}{\binom {k+1}{\displaystyle{\frac{k+j+1}{2}}}\left(z^{j}+z^{-j} \right)}

Άρα το τελικο άθροισμα είναι το \displaystyle \sum_{n=0,n=2m}^{\infty}{\left(\sum_{k=1,k=2m+1}^{\infty}{\left(\left(\frac{i}{2} \right)^{k+1} \frac{1}{k!}\binom {k+1}{\displaystyle{\frac{k+1}{2}}}} \right)}+\sum_{k=1,k=2m+1}^{\infty}{\left({\left(\frac{i}{2} \right)^{k+1} \frac{1}{k!}\sum_{j=2,j=2m}^{k+1}{\binom {k+1}{\displaystyle{\frac{k+j+1}{2}}}\left(z^{j}+z^{-j} \right)} \right)} \right)}^n. Μέσα σε αυτό περιέχεται

σίγουρα το \displaystyle \sum_{n=0,n=2m}^{\infty}{\left(\sum_{k=1,k=2m+1}^{\infty}{\left(\left(\frac{i}{2} \right)^{k+1} \frac{1}{k!}\binom {k+1}{\displaystyle{\frac{k+1}{2}}}} \right) \right)}^n

Όμοια \displaystyle \int_{0}^{2\pi}{\frac{\cos^2 t dt}{1-\cos^2 t \sin^2 \left(\cos t \right)}}=\frac{4}{i} \oint_{C} \frac{\left(z^2+1 \right)^2}{z\left(16z^2+\left(z^2+1 \right)^2 A\left(z \right) \right)}dz με την ίδια λογική αρκεί να βρεθεί το residue στο 0 της \displaystyle -\frac{\displaystyle{z\left(z+\frac{1}{z} \right)^2}}{16z^2+\left(z^2+1 \right)^2 A\left(\frac{1}{z} \right)}

\displaystyle \frac{8\displaystyle{z\left(z+\frac{1}{z} \right)^2}}{16z^2+\left(z^2+1 \right)^2 A\left(\frac{1}{z} \right)}=\frac{1}{4z}\left(\frac{\displaystyle{\left(z+\frac{1}{z} \right)^2}}{\displaystyle{1-\frac{i}{4}\left(z+\frac{1}{z} \right)A\left(z \right)}}+\frac{\displaystyle{\left(z+\frac{1}{z} \right)^2}}{\displaystyle{1+\frac{i}{4}\left(z+\frac{1}{z} \right)A\left(z \right)}} \right) \displaystyle \frac{1}{4z}\left(\sum_{n=0}^{\infty}{\left(\frac{i}{4} \right)^n\left(z+\frac{1}{z} \right)^{n+2}}A^ n \left(z \right)+\sum_{n=0}^{\infty}{\left(-\frac{i}{4} \right)^n\left(z+\frac{1}{z} \right)^{n+2}}A^ n \left(z \right) \right)

και συνεχίζει με την ίδια λογική, απόρω αν μπορούν να υπολογιστούν στα τελικά αθροισματα οι σταθεροί όροι... :?

Edit: Συγνώμη για την διαγραφή της λύσης πρίν, αλλά είδα ότι ξέχασα την δεύτερη επεξεργασία.

Άς σημειωθεί ότι \displaystyle A\left(\frac{1}{z} \right)=A\left(z \right).