\begin{eqnarray} \int_{0}^{\infty}\frac{x^\alpha}{1+2x\cos\pi\beta+x^2}dx =\frac{\pi\sin \pi\alpha\beta}{\sin \pi\alpha\sin \pi\beta} \end{eqnarray}
留数定理でも解けますが違う方法で解いてみます。
\begin{eqnarray}
\int_{0}^{\infty}\frac{x^\alpha}
{1+2x\cos\pi\beta+x^2}dx\\
\end{eqnarray}
\begin{eqnarray}
&=&\int_{0}^{\infty}
\frac{x^\alpha}{(x+\cos\pi\beta)^2+\sin^2\pi\beta}dx
\\
&=&-\frac{\Im}{\sin\pi\beta}\int_{0}^{\infty}x^\alpha\int_{0}^{\infty}e^{-t(x+e^{i\pi\beta})}dtdx
\\
&=&-\frac{\Im}{\sin\pi\beta}
\int_{0}^{\infty}e^{-te^{i\pi\beta}}
\int_{0}^{\infty}x^\alpha e^{-tx}dxdt\\
&=&-\Im\frac{\Gamma(\alpha+1)}{\sin\pi\beta}
\int_{0}^{\infty}t^{-\alpha-1}e^{-te^{i\pi\beta}}dt\\
&=&-\Im\frac{\Gamma(1+\alpha)\Gamma(-\alpha)}{\sin\pi\beta}
e^{i\pi\alpha\beta}\\
&=&\frac{\pi\sin\pi\alpha\beta}
{\sin\pi\alpha\sin\pi\beta}
\end{eqnarray}
\begin{eqnarray} \int_{-\infty}^{\infty} e^{-ab\cosh x+iac\sinh x-x/2}dx =\sqrt{\frac{2\pi}{a\sqrt{b^2+c^2}}}e^{-a\sqrt{b^2+c^2}-\frac{i}{2}\arctan\frac{c}{b}} \end{eqnarray}
見た目すごいですね。
最初は何も思いつかなくても
手を動かしてみれば解けました。
\begin{eqnarray}
\int_{-\infty}^{\infty}
e^{-ab\cosh x+iac\sinh x-x/2}dx
\end{eqnarray}
\begin{eqnarray}
&=&\int_{-\infty}^{\infty}
e^{-a\sqrt{b^2+c^2}(\frac{b}{\sqrt{b^2+c^2}}\cosh x-\frac{ic}{\sqrt{b^2+c^2}}\sinh x)-x/2}dx
\end{eqnarray}
$$\cos\theta=\frac{b}{\sqrt{b^2+c^2}},\sin\theta=\frac{c}{\sqrt{b^2+c^2}}$$
\begin{eqnarray}
&=&\int_{-\infty}^{\infty}
e^{-a\sqrt{b^2+c^2}(\cos\theta\cos ix+\sin\theta\sin ix)-x/2}dx\\
&=&\int_{-\infty}^{\infty}
e^{-a\sqrt{b^2+c^2}\cos(ix-\theta)-x/2}dx\\
&=&\int_{-\infty-i\theta}^{\infty-i\theta}
e^{-a\sqrt{b^2+c^2}\cosh x-(x+i\theta)/2}dx\\
&=&e^{-i\theta/2}\int_{-\infty}^{\infty}e^{-a\sqrt{b^2+c^2}\cosh x-x/2}dx\\
&=&2e^{-i\theta/2}\int_{0}^{\infty}
e^{-a\sqrt{b^2+c^2}\cosh x}\cosh
\frac{x}{2}dx\\
&=&\sqrt{2}e^{-i\theta/2}e^{-a\sqrt{b^2+c^2}}
\int_{0}^{\infty}e^{-a\sqrt{b^2+c^2}t}\frac{dt}{\sqrt{t}}(\cosh x-1=t)\\
&=&\sqrt{\frac{2\pi}{a\sqrt{b^2+c^2}}}e^{-a\sqrt{b^2+c^2}-\frac{i}{2}\arccos{\frac{b}{\sqrt{b^2+c^2}}}}\\
&=&\sqrt{\frac{2\pi}{a\sqrt{b^2+c^2}}}e^{-a\sqrt{b^2+c^2}-\frac{i}{2}\arctan\frac{c}{b}}
\end{eqnarray}
\begin{eqnarray} \int_{0}^{\infty} e^{-\beta\sqrt{\alpha^2+x^2}}\sqrt{\frac{\sqrt{\alpha^2+x^2}-\alpha}{\alpha^2+x^2 }}\sin\gamma xdx =\sqrt{\frac{\pi}{2}} \frac{\gamma e^{-\alpha\sqrt{\beta^2+\gamma^2}}} {\sqrt{\beta^2+\gamma^2}\sqrt{\beta+\sqrt{\beta^2+\gamma^2}}} \end{eqnarray}
これはちょっと進めれば問題8に帰着できるのですぐに解けます。
\begin{eqnarray}
\int_{0}^{\infty}e^{-\beta\sqrt{\alpha^2+x^2}}\sqrt{\frac{\sqrt{\alpha^2+x^2}-\alpha}{\alpha^2+x^2}}\sin\gamma xdx
\end{eqnarray}
\begin{eqnarray}
&=&\sqrt{\alpha}\int_{0}^{\infty}e^{-\alpha\beta\cosh x}\sin (\alpha\gamma\sinh x)
\sqrt{\cosh x-1}dx\ (x=\alpha\sinh x)\\
&=&\sqrt{2\alpha}\int_{0}^{\infty}e^{-\alpha\beta\cosh x}\sin(\alpha\gamma\sinh x)
\sinh\frac{x}{2}dx\\
&=&-\sqrt{\frac{\alpha}{2}}
\int_{-\infty}^{\infty}e^{-\alpha\beta\cosh x-x/2}\sin(\alpha\gamma\sinh x)dx\\
&=&-\sqrt{\frac{\alpha}{2}}
\Im
\int_{-\infty}^{\infty}e^{-\alpha\beta\cosh x+i\alpha\beta\sinh x-x/2}dx\\
&=&\sqrt{\frac{\pi}{\sqrt{\beta^2+\gamma^2}}}e^{-\alpha\sqrt{\beta^{2}+\gamma^2}}\sin\frac{\arctan\frac{\beta}{\gamma}}{2}\\
&=&\sqrt{\frac{\pi}{2}}e^{-\alpha\sqrt{\beta^2+\gamma^2}}
\sqrt{\frac{\sqrt{\beta^2+\gamma^2}-\beta}{\beta^2+\gamma^2}}
\end{eqnarray}
最後の式は元々の解を有理化したものですね。
\begin{eqnarray} \int_{-\infty}^{\infty} \frac{\arctan e^x \tanh\frac{x}{2}}{x\cosh x}dx =\frac{\pi}{2}\ln 2 \end{eqnarray}
最近は変数付きの問題しか解いてなかったのでたまには変数のない積分を解いてみますかね。
\begin{eqnarray}
\int_{-\infty}^{\infty}
\frac{\arctan e^x \tanh \frac{x}{2}}{x\cosh x}dx
\end{eqnarray}
\begin{eqnarray}
&=&\int_{0}^{\infty}\frac{1-e^{-x}}{x}\frac{\arctan e^x+\arctan e^{-x}}{\cosh x(1+e^{-x})}dx\\
&=&\pi\int_{0}^{\infty}
\int_{0}^{1}\frac{e^{-ux}}{(1+e^{-x})(1+e^{-2x})}e^{-x}dudx\\
&=&\pi\int_{0}^{1}\int_{0}^{1}
\frac{v^u}{(1+v)(1+v^2)}dvdu\\
\end{eqnarray}
\begin{eqnarray}
&=&\frac{\pi}{2}\int_{0}^{1}\int_{0}^{1}
v^u(\frac{1}{1+v}+\frac{1-v}{1+v^2})dvdu\\
&=&\frac{\pi}{2}\int_{0}^{1}\int_{0}^{1}
v^u\sum_{n≥0}(-1)^nv^n+(-1)^n(1-v)v^{2n}dvdu\\
&=&\frac{\pi}{2}\int_{0}^{1}
\sum_{n≥0}\frac{(-1)^n)}{n+u+1}
+\frac{(-1)^n}{2n+u+1}-\frac{(-1)^n}{2n+u+2}du\\
&=&\frac{\pi}{2}\prod_{n≥0}
\frac{(2n+2)^2}{(2n+1)(2n+3)}
+\frac{\pi}{8}\int_{0}^{1}-\psi(\frac{u+1}{4})+\psi(\frac{u+2}{4})+\psi(\frac{u+3}{4})
-\psi(\frac{u+4}{4})du\\
&=&\frac{\pi}{2}\ln\frac{\pi}{2}-\frac{\pi}{2}\ln\frac{\pi}{4}\\
&=&\frac{\pi}{2}\ln 2
\end{eqnarray}
途中にあるプサイはディガンマ関数です。