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∫[-∞..∞] 1/(x^6+1) dxの値を部分分数分解を使って求める。

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目的

  • ..1x6+1dxの値を部分分数分解を使って求める。

解法

I=1x6+1dx=2π3

部分分数分解

1x6+1は偶関数なので
1x6+1dx=201x6+1dx
積分変数を複素変数zに置き換えて
201x6+1dx=201z6+1dz
ここでz6+1=0の解ζk
ζk=eiπ6(2k+1)(k=0,1,,5)となり、ζkを図示すると
!FORMULA[10][1960801681][0]の解 z6=1の解
となる。
よって1z6+1をヘビサイドの展開定理を使って部分分数分解すると、
F(z):=1z6+1=A0zζ0+A1zζ1+++A5zζ5=k=05AkzζkただしAk(k=0,,5)
Ak=limzζk(zζk)F(z)=limzζkzζkz6+1=limzζk16z50/0不定形なのでロピタルの定理を適用=16(ζk)5
ここで
1(ζk)5=(ζk)5=ei5π6(2k+1)=eiπ(53k+56)=eiπ(2k13k+116)=ei2πkeiπeiπ(13k16)=eiπ(13k16)=eiπ6(2k+1)=ζkなので、
Ak=ζk6 (k=0,,5)である。ここでζk
ζ0+ζ3=0ζ1+ζ4=0ζ2+ζ5=0という性質をもっている。これは先ほど示した図からも確かめられる。
つぎにF(z)の各項の中で、足すと0になるζkのペアを含む項を足す。たとえばζ0ζ3を含む項を足すと
ζ06zζ0+ζ36zζ3=16(ζ0+ζ3)z2ζ0ζ3z2(ζ0+ζ3)z+ζ0ζ3=13ζ0ζ3z2+ζ0ζ3となる。同様の計算でζ1ζ4,ζ2ζ5を含む項をそれぞれ足すと
ζ16zζ1+ζ46zζ4=13ζ1ζ4z2+ζ1ζ4ζ26zζ2+ζ56zζ5=13ζ2ζ5z2+ζ2ζ5となる。よってF(z)
F(z)=13ζ0ζ3z2+ζ0ζ3+13ζ1ζ4z2+ζ1ζ4+13ζ2ζ5z2+ζ2ζ5=13(ζ0ζ3z2+ζ0ζ3+ζ1ζ4z2+ζ1ζ4+ζ2ζ5z2+ζ2ζ5)となる。よって求める積分I
I=20F(z)dz=230ζ0ζ3z2+ζ0ζ3+ζ1ζ4z2+ζ1ζ4+ζ2ζ5z2+ζ2ζ5dz=2301(zζ0ζ3)2+1+1(zζ1ζ4)2+1+1(zζ1ζ4)2+1dzここでzζnζm=vと置換してdz=ζnζmdvなので
=230ζ0ζ3v2+1+ζ1ζ4v2+1+ζ2ζ5v2+1dv=23[ζ0ζ3arctan(v)+ζ1ζ4arctan(v)+ζ2ζ5arctan(v)]0=23(π2ζ0ζ3+π2ζ1ζ4+π2ζ2ζ5)
ここで足すと0になるζkどうしの積は
ζ0ζ3=eiπ6+i7π6=ei8π6=ei2π3ζ1ζ4=i(i)=1ζ2ζ5=ei5π6+iπ6=ei4π6=ei2π3なので
=23(π2ei2π3+π21+π2ei2π3)=π3(eiπ3+1+eiπ3)=π3(12+1+12)=2π3となり命題が示された。

投稿日:2021411
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zeta
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