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L12 · 유수로 실적분

Arfken 7판 11.8절 (정적분 계산: 삼각함수형, 유리함수형, 조르당 보조정리, 주값, 분지절단, 직사각형 경로)

이 레슨이 끝나면 할 수 있는 계산
  1. $\int_0^{2\pi}R(\cos\theta,\sin\theta)\,d\theta$를 단위원 적분으로 바꿔 계산하기
  2. $\int_{-\infty}^{\infty}\frac{P(x)}{Q(x)}dx$를 상반평면 반원으로 계산하기
  3. $\cos kx$, $\sin kx$가 붙은 적분을 $e^{ikz}$와 조르당 보조정리로 계산하기
  4. 실축 위에 극이 있을 때 주값을 구하기
  5. $x^{a-1}$이나 $\ln x$가 붙은 적분, 짝함수가 아닌 $\int_0^\infty R(x)\,dx$를 분지절단(열쇠구멍)으로 계산하기
  6. $\frac{e^{ax}}{1+e^x}$ 같은 적분을 직사각형 경로로 계산하기

0. 외워 둘 공식

모든 예제는 같은 다섯 단계로 풉니다. ① 경로 그리기 → ② 극 찾기 → ③ 안쪽 극의 유수 → ④ 큰 원·작은 원 기여 처리 → ⑤ 실적분 꺼내기.

적분 꼴경로조건결과
$\displaystyle\int_0^{2\pi}R(\cos\theta,\sin\theta)\,d\theta$단위원 $z=e^{i\theta}$단위원 위에 극이 없음$2\pi i\sum_{|a|<1}\mathrm{Res}$
$\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{P}{Q}\,dx$상반평면 반원$\deg Q\ge\deg P+2$, 실축에 영점 없음$2\pi i\sum_{\mathrm{Im}\,a>0}\mathrm{Res}$
$\displaystyle\int_{-\infty}^\infty f(x)e^{ikx}dx$, $k>0$상반평면 반원$|z|\to\infty$에서 $f\to0$$2\pi i\sum_{\mathrm{Im}\,a>0}\mathrm{Res}\big[fe^{ikz}\big]$
실축 위에 단순극작은 반원으로 우회실축 위 극은 단순극$\mathrm{P}\!\int=2\pi i\sum_{\text{상반}}\mathrm{Res}+\pi i\sum_{\text{실축}}\mathrm{Res}$
$\displaystyle\int_0^\infty x^{a-1}R(x)\,dx$열쇠구멍양 끝에서 수렴$(1-e^{2\pi ia})\displaystyle\int_0^\infty=2\pi i\sum\mathrm{Res}$
$\displaystyle\int_0^\infty R(x)\,dx$ ($R$이 짝함수 아님)열쇠구멍 + $\ln z$$\deg Q\ge\deg P+2$, $[0,\infty)$에 극 없음$-\sum\mathrm{Res}\big[R(z)\ln z\big]$
$\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{e^{ax}}{1+e^x}dx$높이 $2\pi$인 직사각형$0<a<1$$(1-e^{2\pi ia})\displaystyle\int=2\pi i\,\mathrm{Res}_{z=i\pi}$

치환: $z=e^{i\theta}$이면 $\cos\theta=\dfrac{z+z^{-1}}{2}$, $\sin\theta=\dfrac{z-z^{-1}}{2i}$, $\cos n\theta=\dfrac{z^n+z^{-n}}{2}$, $d\theta=\dfrac{dz}{iz}$.

④단계에서 쓰는 세 가지 추정

이 레슨의 관례

1. 유형 1 — $\int_0^{2\pi}R(\cos\theta,\sin\theta)\,d\theta$

×× |z|=1안: 더함밖: 무시 그림 A
레시피
  1. 경로: $z=e^{i\theta}$. $\theta$가 $0\to2\pi$이면 $z$는 단위원을 반시계 방향으로 한 바퀴 돕니다(그림 A).
  2. $\cos\theta$, $\sin\theta$, $d\theta$를 0절의 치환식으로 바꿉니다. 분자·분모에 $z$의 거듭제곱을 곱해 $z$의 유리함수로 정리합니다.
  3. 극: 분모를 인수분해합니다. 2차식의 두 근은 곱이 1인 경우가 많습니다. 그러면 하나는 안, 하나는 밖입니다.
  4. 유수: 단위원 안의 극만 계산합니다. $z=0$도 극일 수 있으니 빠뜨리지 않습니다.
  5. 큰 원·작은 원은 없습니다. 적분 $=2\pi i\sum_{|a|<1}\mathrm{Res}$.
예제 1-1 $\displaystyle\int_0^{2\pi}\frac{d\theta}{a+b\cos\theta}=\frac{2\pi}{\sqrt{a^2-b^2}}$ ($a>b>0$)
  1. 경로: $z=e^{i\theta}$, $\cos\theta=\frac{z+z^{-1}}2$, $d\theta=\frac{dz}{iz}$. 분자·분모에 $2z$를 곱합니다. $$\begin{aligned}&\int_0^{2\pi}\frac{d\theta}{a+b\cos\theta}\\&=\oint_{|z|=1}\frac{1}{a+\frac b2\big(z+\frac1z\big)}\cdot\frac{dz}{iz}\\&=\oint_{|z|=1}\frac{2\,dz}{i\,(bz^2+2az+b)}\end{aligned}$$
  2. 극: $bz^2+2az+b=0$에서 $$\begin{aligned}z_\pm&=\frac{-a\pm\sqrt{a^2-b^2}}{b}\\z_+z_-&=\frac bb=1\end{aligned}$$ 곱이 1이므로 하나는 안, 하나는 밖입니다. $|z_+|<1$(안), $|z_-|>1$(밖).
  3. 유수: $bz^2+2az+b=b(z-z_+)(z-z_-)$이고 $z_+-z_-=\frac{2\sqrt{a^2-b^2}}{b}$. $$\begin{aligned}\mathrm{Res}_{z_+}&=\frac{2}{ib\,(z_+-z_-)}\\&=\frac{2}{ib}\cdot\frac{b}{2\sqrt{a^2-b^2}}\\&=\frac{1}{i\sqrt{a^2-b^2}}\end{aligned}$$
  4. 큰 원·작은 원: 없음.
  5. 결과: $2\pi i\cdot\dfrac{1}{i\sqrt{a^2-b^2}}=\dfrac{2\pi}{\sqrt{a^2-b^2}}$. 예: $a=2$, $b=1$이면 $\dfrac{2\pi}{\sqrt3}$.

$b<0$이어도 $|b|<a$이면 같은 공식이 나옵니다(안쪽 근이 바뀔 뿐).

예제 1-2 $\displaystyle\int_0^{2\pi}\frac{\cos^2\theta}{5-4\cos\theta}\,d\theta=\frac{5\pi}{12}$
  1. 경로: 재료를 하나씩 바꿉니다. $$\begin{aligned}\cos^2\theta&=\frac{(z^2+1)^2}{4z^2}\\5-4\cos\theta&=5-2\Big(z+\frac1z\Big)\\&=-\frac{(2z-1)(z-2)}{z}\end{aligned}$$ $$\begin{aligned}&\frac{\cos^2\theta\,d\theta}{5-4\cos\theta}\\&=\frac{(z^2+1)^2}{4z^2}\cdot\frac{-z}{(2z-1)(z-2)}\cdot\frac{dz}{iz}\\&=-\frac{(z^2+1)^2}{4i\,z^2(2z-1)(z-2)}\,dz\end{aligned}$$
  2. 극: $z=0$(2차, 안), $z=\frac12$(단순, 안), $z=2$(밖).
  3. 유수
    • $z=\frac12$: $2z-1=2(z-\frac12)$이므로 나머지에 $z=\frac12$를 넣습니다. $$\begin{aligned}\mathrm{Res}_{1/2}&=-\frac{(\frac14+1)^2}{4i\cdot\frac14\cdot2\cdot(\frac12-2)}\\&=-\frac{25/16}{-3i}=\frac{25}{48i}\end{aligned}$$
    • $z=0$ (2차): $h(z)=\dfrac{N}{D}=\dfrac{(z^2+1)^2}{2z^2-5z+2}$로 두면 $\mathrm{Res}_0=-\dfrac{1}{4i}h'(0)$. 몫의 미분에 필요한 값만 구합니다: $N(0)=1$, $N'(0)=4z(z^2+1)\big|_0=0$, $D(0)=2$, $D'(0)=-5$. $$\begin{aligned}h'(0)&=\frac{N'D-ND'}{D^2}\bigg|_{z=0}\\&=\frac{0\cdot2-1\cdot(-5)}{2^2}=\frac54\end{aligned}$$ 따라서 $\mathrm{Res}_0=-\dfrac{5}{16i}=-\dfrac{15}{48i}$.
  4. 큰 원·작은 원: 없음.
  5. 결과: 유수 합 $\dfrac{25-15}{48i}=\dfrac{5}{24i}$. 적분은 $2\pi i\cdot\dfrac{5}{24i}=\dfrac{5\pi}{12}$.

요령: $\cos^2\theta=\frac{1+\cos2\theta}{2}$로 바꾸고 $\cos2\theta$ 대신 $e^{2i\theta}=z^2$를 쓰면 $z=0$의 극이 사라져 더 쉽습니다(연습문제 A3).

2. 유형 2 — $\int_{-\infty}^{\infty}\frac{P(x)}{Q(x)}dx$

×× −RRC_Ri−i (밖) 그림 B
레시피
  1. 조건 확인: $Q$가 실축에 영점이 없고 $\deg Q\ge\deg P+2$인지 봅니다. 차수 차가 1이면 이 방법으로는 큰 반원 기여가 0이 되지 않습니다.
  2. 경로: 실축 $[-R,R]$ + 상반평면 반원 $C_R$: $z=Re^{i\theta}$, $0\le\theta\le\pi$(그림 B).
  3. 극: $Q(z)=0$의 근 중 허수부가 양수인 것만 고릅니다.
  4. 유수: L11 3절의 순서로 구합니다.
  5. 큰 반원: 큰 $R$에서 $|f|\le\frac{C}{R^2}$이므로 $\big|\int_{C_R}\big|\le\pi R\cdot\frac{C}{R^2}\to0$.
  6. 결과: $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac PQdx=2\pi i\sum_{\mathrm{Im}\,a>0}\mathrm{Res}$. 피적분함수가 짝함수이면 $\int_0^\infty$는 그 절반입니다.
왜 되나? (증명 스케치)

길이×최댓값 부등식(ML 부등식): 길이 $L$인 경로 $\Gamma$에서 $\big|\int_\Gamma f\,dz\big|\le L\cdot\max_\Gamma|f|$. 적분을 작은 조각들의 합으로 보고 삼각부등식을 쓴 것입니다.

큰 반원 $C_R$의 길이는 $\pi R$입니다. $\deg Q=\deg P+d$이면 큰 $|z|$에서 $|P/Q|\approx C/R^{d}$입니다.

$$\Big|\int_{C_R}\frac PQ\,dz\Big|\lesssim\pi R\cdot\frac{C}{R^{d}}=\frac{\pi C}{R^{d-1}}$$

$d\ge2$이면 0으로 갑니다. $d=1$이면 $\pi C$가 남아 0이 안 됩니다. 실제로 $\int_{C_R}\frac{dz}{z}=\int_0^\pi\frac{iRe^{i\theta}}{Re^{i\theta}}d\theta=i\pi$로 $R$과 상관없이 남습니다. 그래서 조건이 "차수 차 2 이상"입니다.

예제 2-1 $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{dx}{1+x^2}=\pi$
  1. 경로: 그림 B.
  2. 극: $z=\pm i$. $R>1$이면 $i$만 안.
  3. 유수: $p/q'$ 공식으로 $\mathrm{Res}_i=\dfrac{1}{2z}\Big|_{z=i}=\dfrac{1}{2i}$.
  4. 큰 반원: $C_R$ 위에서 $|1+z^2|\ge R^2-1$이므로 $\big|\int_{C_R}\big|\le\dfrac{\pi R}{R^2-1}\to0$.
  5. 결과: $\displaystyle\int_{-R}^R+\int_{C_R}=2\pi i\cdot\frac1{2i}=\pi$에서 $R\to\infty$로 보내면 $\pi$. ($\arctan$으로 구한 값과 같습니다.)
예제 2-2 (2차 극) $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{dx}{(x^2+1)^2}=\frac\pi2$
  1. 경로: 그림 B.
  2. 극: $z=i$(2차)가 안. $\frac{1}{(z^2+1)^2}=\frac{1}{(z-i)^2(z+i)^2}$.
  3. 유수: $(z-i)^2f=(z+i)^{-2}$을 한 번 미분합니다. $$\begin{aligned}&\frac{d}{dz}(z+i)^{-2}=-2(z+i)^{-3}\\&\mathrm{Res}_i=\frac{-2}{(2i)^3}=\frac{-2}{-8i}=\frac{1}{4i}\end{aligned}$$
  4. 큰 반원: 차수 차가 4이므로 0.
  5. 결과: $2\pi i\cdot\dfrac1{4i}=\dfrac\pi2$.
예제 2-3 $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{dx}{x^4+1}=\frac{\pi}{\sqrt2}$
  1. 경로: 그림 B.
  2. 극: $z^4=-1=e^{i\pi}$의 근은 $e^{i\pi/4},e^{3i\pi/4},e^{5i\pi/4},e^{7i\pi/4}$. 상반평면에는 $e^{i\pi/4}$, $e^{3i\pi/4}$.
  3. 유수: L11 예제 3-2의 요령으로 $\mathrm{Res}_a=\frac{1}{4a^3}=-\frac a4$. $$\begin{aligned}\sum&=-\frac14\big(e^{i\pi/4}+e^{3i\pi/4}\big)\\&=-\frac14\Big(\frac{1+i}{\sqrt2}+\frac{-1+i}{\sqrt2}\Big)\\&=-\frac{i\sqrt2}{4}\end{aligned}$$
  4. 큰 반원: 차수 차가 4이므로 0.
  5. 결과: $2\pi i\cdot\Big(-\dfrac{i\sqrt2}{4}\Big)=\dfrac{\pi\sqrt2}{2}=\dfrac{\pi}{\sqrt2}$. L11 예제 4-3(b)와 같은 값입니다.
예제 2-4 $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{x^2\,dx}{(x^2+a^2)(x^2+b^2)}=\frac{\pi}{a+b}$ ($a,b>0$, $a\ne b$)
  1. 경로: 그림 B.
  2. 극: 상반평면에 $ia$, $ib$ (둘 다 단순극).
  3. 유수: $z=ia$에서 $(z^2+a^2)'=2z$를 쓰고, $(ia)^2=-a^2$입니다. $$\begin{aligned}\mathrm{Res}_{ia}&=\frac{(ia)^2}{2ia\,\big((ia)^2+b^2\big)}\\&=\frac{-a^2}{2ia\,(b^2-a^2)}=\frac{-a}{2i\,(b^2-a^2)}\\\mathrm{Res}_{ib}&=\frac{(ib)^2}{\big((ib)^2+a^2\big)\,2ib}\\&=\frac{-b^2}{(a^2-b^2)\,2ib}=\frac{b}{2i\,(b^2-a^2)}\end{aligned}$$ 합은 $\dfrac{b-a}{2i(b^2-a^2)}=\dfrac{1}{2i(a+b)}$.
  4. 큰 반원: 분자 2차, 분모 4차. 차수 차가 정확히 2라 조건을 만족합니다. 0.
  5. 결과: $2\pi i\cdot\dfrac{1}{2i(a+b)}=\dfrac{\pi}{a+b}$.

3. 유형 3 — $e^{ikx}$가 붙은 적분과 조르당 보조정리

레시피
  1. $\cos kx$, $\sin kx$를 그대로 $\cos kz$로 바꾸지 않습니다. $\cos(iy)=\cosh y$라서 위아래 어느 쪽으로 닫아도 커집니다. 대신 $e^{ikz}$를 씁니다.
  2. 경로: $|e^{ikz}|=e^{-k\,\mathrm{Im}\,z}$입니다. $k>0$이면 상반평면(그림 B), $k<0$이면 하반평면(시계 방향)으로 닫습니다.
  3. 극: 닫은 쪽 반평면의 극만 고릅니다.
  4. 유수: $f(z)e^{ikz}$의 유수입니다. $e^{ikz}$를 빠뜨리지 않습니다.
  5. 큰 반원: $f\to0$이면 조르당 보조정리로 0입니다. 차수 차가 1뿐이어도 됩니다.
  6. 실적분: $f$가 실함수이면 $\int f\cos kx\,dx=\mathrm{Re}$, $\int f\sin kx\,dx=\mathrm{Im}$. 하반평면이면 $-2\pi i\sum\mathrm{Res}$.
왜 되나? (증명 스케치)

$z=Re^{i\theta}$ ($0\le\theta\le\pi$)에서 $|e^{ikz}|=e^{-kR\sin\theta}$이고 $|dz|=R\,d\theta$입니다. $M_R=\max_{C_R}|f|$로 두면

$$\Big|\int_{C_R}fe^{ikz}dz\Big|\le M_R\int_0^\pi e^{-kR\sin\theta}R\,d\theta$$

$\sin\theta$는 $\theta=\frac\pi2$에 대해 대칭이라 $[0,\frac\pi2]$의 두 배로 씁니다. 이 구간에서 $\sin\theta\ge\frac{2\theta}{\pi}$입니다. 위로 볼록한 사인 곡선이 두 끝점 $(0,0)$, $(\frac\pi2,1)$을 잇는 현보다 위에 있기 때문입니다.

$$\begin{aligned}2R\int_0^{\pi/2}e^{-kR\sin\theta}d\theta&\le2R\int_0^{\pi/2}e^{-2kR\theta/\pi}d\theta\\&=\frac{\pi}{k}\big(1-e^{-kR}\big)<\frac\pi k\end{aligned}$$

그래서 $\big|\int_{C_R}\big|\le\frac\pi k\,M_R$이고, $M_R\to0$이기만 하면 됩니다. 반원의 대부분에서 $e^{ikz}$가 지수적으로 작아 길이 $\pi R$을 상쇄하는 것이 요점입니다. ML 부등식만 쓰면 $\pi R\cdot M_R$이라, $M_R\sim\frac1R$일 때 0이 안 됩니다(예제 3-2).

예제 3-1 $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{\cos kx}{x^2+a^2}\,dx=\frac\pi a\,e^{-|k|a}$ ($a>0$)

$k>0$인 경우

  1. 경로: $\displaystyle\int\frac{e^{ikx}}{x^2+a^2}dx$를 상반평면 반원으로 계산합니다.
  2. 극: $\pm ia$ 중 $ia$가 안.
  3. 유수: $\mathrm{Res}_{ia}=\dfrac{e^{ik(ia)}}{2ia}=\dfrac{e^{-ka}}{2ia}$.
  4. 큰 반원: $f=\frac1{z^2+a^2}\to0$이므로 조르당 보조정리로 0.
  5. 결과: $\displaystyle\int\frac{e^{ikx}}{x^2+a^2}dx=2\pi i\cdot\frac{e^{-ka}}{2ia}=\frac\pi a e^{-ka}$. 실수부가 구하는 적분입니다. 허수부 $\int\frac{\sin kx}{x^2+a^2}dx=0$은 홀함수라 당연합니다.

$k<0$인 경우: 하반평면으로 닫고 극 $-ia$를 씁니다. $\mathrm{Res}_{-ia}=\dfrac{e^{ik(-ia)}}{-2ia}=\dfrac{e^{ka}}{-2ia}$. 시계 방향이라 $-2\pi i\cdot\dfrac{e^{ka}}{-2ia}=\dfrac\pi ae^{ka}$. 두 경우를 합치면 $\dfrac\pi ae^{-|k|a}$입니다. ($\cos$는 $k$에 대해 짝함수이므로 처음부터 $k$를 $|k|$로 바꿔도 됩니다.)

예제 3-2 (조르당이 꼭 필요한 경우) $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{x\sin x}{x^2+1}\,dx=\frac\pi e$
  1. 경로: $\displaystyle\int\frac{xe^{ix}}{x^2+1}dx$를 상반평면 반원으로 계산합니다($k=1>0$).
  2. 극: $i$가 안.
  3. 유수: $p/q'$로 $\mathrm{Res}_i=\dfrac{ze^{iz}}{2z}\Big|_{z=i}=\dfrac{e^{i\cdot i}}{2}=\dfrac{1}{2e}$.
  4. 큰 반원: $f=\frac{z}{z^2+1}\approx\frac1z$라 차수 차가 1뿐입니다. 길이×최댓값으로는 $\pi R\cdot\frac1R=\pi$라 0이 안 됩니다. 조르당 보조정리로는 $\frac{\pi}{1}\cdot\max|f|\approx\frac\pi R\to0$입니다.
  5. 결과: $2\pi i\cdot\dfrac{1}{2e}=\dfrac{\pi i}{e}$. 허수부를 읽으면 $\displaystyle\int\frac{x\sin x}{x^2+1}dx=\frac\pi e$.

4. 유형 4 — 실축 위의 단순극과 주값

×× −RRC_RC_ε상반평면 극 그림 C
레시피
  1. 주값: 실축 위의 점 $c$에서 발산하는 적분은 대칭으로 잘라 냅니다. $$\mathrm{P}\!\int_{-\infty}^\infty f\,dx=\lim_{\epsilon\to0}\Big[\int_{-\infty}^{c-\epsilon}+\int_{c+\epsilon}^{\infty}\Big]f\,dx$$
  2. 경로: 실축을 따라가다 $c$ 앞에서 반지름 $\epsilon$인 작은 반원 $C_\epsilon$으로 위로 넘어갑니다(시계 방향). 그다음 큰 반원으로 닫습니다(그림 C).
  3. 극: 상반평면의 극은 안, 실축 위의 극 $c$는 경로 밖으로 빠집니다. 실축 위 극은 단순극이어야 합니다.
  4. 유수: 상반평면 극의 유수, 그리고 실축 위 극의 유수를 모두 구합니다.
  5. 원호 기여: $C_\epsilon$은 시계 방향 반원이라 $-\pi i\,\mathrm{Res}(f,c)$. $C_R$은 2·3절과 같이 처리합니다.
  6. 결과: $\mathrm{P}\!\displaystyle\int f\,dx-\pi i\,\mathrm{Res}_c=2\pi i\sum_{\text{상반}}\mathrm{Res}$, 곧 $$\begin{aligned}\mathrm{P}\!\int_{-\infty}^\infty f\,dx&=2\pi i\sum_{\text{상반}}\mathrm{Res}\\&\quad+\pi i\sum_{\text{실축}}\mathrm{Res}\end{aligned}$$ (아래로 우회하면 $c$가 안에 들어가 $+\pi i$와 $2\pi i$가 섞이지만 결과는 같습니다.)
왜 되나? (증명 스케치)

$c$가 단순극이면 그 근처에서 $f(z)=\dfrac{\rho}{z-c}+g(z)$로 씁니다. $\rho=\mathrm{Res}(f,c)$이고 $g$는 $c$에서 해석적입니다. 원호 $z=c+\epsilon e^{i\theta}$에서 $dz=i\epsilon e^{i\theta}d\theta$입니다.

$$\int_{\text{원호}}\frac{\rho\,dz}{z-c}=\int\frac{\rho\,i\epsilon e^{i\theta}}{\epsilon e^{i\theta}}\,d\theta=i\rho\times(\text{도는 각})$$

$\epsilon$이 지워져서 반지름과 상관이 없습니다. $g$ 부분은 크기가 유계이고 원호 길이가 $\epsilon\times$각이라 0으로 갑니다. 위쪽 반원을 시계 방향($\theta:\pi\to0$)으로 돌면 각이 $-\pi$라 $-\pi i\,\rho$, 반쪽 유수입니다.

2차 극이면 $\frac{1}{(z-c)^2}$ 항이 $\frac{i}{\epsilon}\int e^{-i\theta}d\theta$가 되어 반원에서 크기가 $\frac{2}{\epsilon}$입니다. $\epsilon\to0$이면 발산하므로 실축 위 극은 단순극이어야 합니다. 주값을 "대칭으로 잘라" 정의하는 이유도 같습니다. $\frac{1}{x-c}$는 $c$ 양쪽에서 부호가 반대라 양쪽 발산이 지워집니다.

예제 4-1 $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{\sin x}{x}\,dx=\pi$ 와 $\mathrm{P}\!\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{e^{ix}}{x}\,dx=i\pi$
  1. 경로: $\frac{\sin x}{x}$ 자체는 $x=0$에서 문제가 없지만, 복소화한 $\frac{e^{iz}}{z}$는 $z=0$에 단순극이 있습니다. 그래서 그림 C의 경로(우회점 $c=0$)를 씁니다.
  2. 극: $z=0$뿐이고 경로 밖입니다. 상반평면에는 극이 없습니다.
  3. 유수: 안쪽 유수 합은 0. 우회에 쓸 $\mathrm{Res}_0=e^{0}=1$.
  4. 원호: $C_R$은 조르당 보조정리로 0($f=\frac1z\to0$). $C_\epsilon$은 $-\pi i\cdot1$.
  5. 결과: $\mathrm{P}\!\displaystyle\int\frac{e^{ix}}{x}dx-\pi i=0$, 따라서 $\mathrm{P}\!\displaystyle\int\frac{e^{ix}}{x}dx=i\pi$. 허수부: $\displaystyle\int\frac{\sin x}{x}dx=\pi$. 실수부: $\mathrm{P}\!\displaystyle\int\frac{\cos x}{x}dx=0$(홀함수).
예제 4-2 $\mathrm{P}\!\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{dx}{(x-1)(x^2+1)}=-\frac\pi2$
  1. 경로: 그림 C에서 우회점을 $c=1$로 옮긴 경로.
  2. 극: $1$(실축, 단순), $i$(상반, 안), $-i$(하반, 밖).
  3. 유수 $$\begin{aligned}\mathrm{Res}_i&=\frac{1}{(i-1)\cdot2i}=\frac{1}{-2-2i}\\&=-\frac{1}{2(1+i)}=-\frac{1-i}{4}\\\mathrm{Res}_1&=\frac{1}{1^2+1}=\frac12\end{aligned}$$
  4. 원호: $C_R$은 차수 차 3이라 0. $C_\epsilon$은 $-\pi i\cdot\frac12$.
  5. 결과 $$\begin{aligned}\mathrm{P}\!\int&=2\pi i\Big(-\frac{1-i}{4}\Big)+\pi i\cdot\frac12\\&=\frac{-\pi i-\pi}{2}+\frac{\pi i}{2}=-\frac\pi2\end{aligned}$$ 피적분함수가 실함수이므로 답도 실수여야 합니다. 허수부가 지워졌는지가 좋은 검산입니다.

5. 유형 5 — 분지절단 (열쇠구멍 경로, 로그)

× −1위: arg=0아래: arg=2πC_RC_ε 그림 D
레시피 (열쇠구멍, $\int_0^\infty x^{a-1}R(x)\,dx$)
  1. 분지: $z^{a-1}=r^{a-1}e^{i(a-1)\theta}$, $0\le\theta<2\pi$로 정합니다. 양의 실축이 절단선(branch cut)입니다.
  2. 경로(그림 D): 절단선 위쪽 변($\theta=0$)을 $0\to\infty$, 큰 원 $C_R$, 아래쪽 변($\theta=2\pi$)을 $\infty\to0$, 작은 원 $C_\epsilon$(시계 방향).
  3. 극: $R(z)$의 극을 같은 분지의 극형식으로 씁니다. 예: $-1=e^{i\pi}$ ($e^{-i\pi}$가 아님).
  4. 유수: $z^{a-1}$에도 같은 분지를 씁니다.
  5. 원 기여: $C_R$과 $C_\epsilon$이 0이 되는 $a$의 범위를 확인합니다.
  6. 두 변: 위쪽 변은 $I=\int_0^\infty x^{a-1}R\,dx$. 아래쪽 변은 $z=xe^{2\pi i}$라 $z^{a-1}=x^{a-1}e^{2\pi i(a-1)}=x^{a-1}e^{2\pi ia}$이고 방향이 반대이므로 $-e^{2\pi ia}I$.
  7. 결과: $(1-e^{2\pi ia})\,I=2\pi i\sum\mathrm{Res}$를 $I$에 대해 풉니다. 한 번에 쓰면 다음 일반 공식입니다. $$\int_0^\infty x^{a-1}R(x)\,dx=-\frac{\pi e^{-i\pi a}}{\sin\pi a}\sum\mathrm{Res}\big[z^{a-1}R(z)\big]$$ 조건: $R$이 $[0,\infty)$ 위에 극이 없고, $R(0)$이 유한하며 큰 $x$에서 $R\sim x^{-m}$일 때 $0<a<m$.
왜 되나? (증명 스케치)

위아래 변의 위상. 아래쪽 변은 양의 실축을 한 바퀴 돌아 다시 만난 곳이라 $z=xe^{2\pi i}$입니다. 그래서 $z^{a-1}=x^{a-1}e^{2\pi i(a-1)}=x^{a-1}e^{2\pi ia}$이고, 방향이 $\infty\to0$이라 $-e^{2\pi ia}I$가 됩니다. $a$가 정수이면 위상이 1이라 두 변이 지워지고 이 방법은 쓸 수 없습니다.

원 기여. 반지름 $\rho$인 큰 원 위에서 $|f|\approx\rho^{a-1-m}$, 둘레 $2\pi\rho$이므로 $\lesssim2\pi\rho^{a-m}\to0$ ($a<m$). 작은 원에서는 $\lesssim2\pi\epsilon\cdot\epsilon^{a-1}=2\pi\epsilon^{a}\to0$ ($a>0$). 실적분이 양 끝에서 수렴하는 조건과 같습니다.

일반 공식. $1-e^{2\pi ia}=-e^{i\pi a}\big(e^{i\pi a}-e^{-i\pi a}\big)=-2i\,e^{i\pi a}\sin\pi a$이므로

$$I=\frac{2\pi i\sum\mathrm{Res}}{1-e^{2\pi ia}}=-\frac{\pi e^{-i\pi a}}{\sin\pi a}\sum\mathrm{Res}$$

예제 5-1에 넣으면 $\sum\mathrm{Res}=-e^{i\pi a}$라 $I=\frac{\pi}{\sin\pi a}$입니다.

예제 5-1 $\displaystyle\int_0^\infty\frac{x^{a-1}}{1+x}\,dx=\frac{\pi}{\sin\pi a}$ ($0<a<1$)
  1. 경로: 그림 D, 분지 $0\le\arg z<2\pi$.
  2. 극: $z=-1=e^{i\pi}$(안).
  3. 유수: $\mathrm{Res}_{-1}=\big(e^{i\pi}\big)^{a-1}=e^{i\pi(a-1)}=-e^{i\pi a}$.
  4. 원 기여: $C_R$ 위에서 $|f|\approx\frac{R^{a-1}}{R}$, 길이 $2\pi R$이므로 크기 $\sim2\pi R^{a-1}\to0$ ($a<1$). $C_\epsilon$ 위에서 $|f|\approx\epsilon^{a-1}$, 길이 $2\pi\epsilon$이므로 $\sim2\pi\epsilon^{a}\to0$ ($a>0$).
  5. 결과: 위쪽 변 $I$, 아래쪽 변 $-e^{2\pi ia}I$. $$\begin{aligned}(1-e^{2\pi ia})\,I&=2\pi i\,(-e^{i\pi a})\\I&=\frac{-2\pi i\,e^{i\pi a}}{1-e^{2\pi ia}}\\&=\frac{-2\pi i}{e^{-i\pi a}-e^{i\pi a}}\\&=\frac{-2\pi i}{-2i\sin\pi a}=\frac{\pi}{\sin\pi a}\end{aligned}$$ 둘째 줄은 분자·분모에 $e^{-i\pi a}$를 곱한 것입니다. 예: $a=\frac12$이면 $\displaystyle\int_0^\infty\frac{dx}{\sqrt x(1+x)}=\pi$.
레시피 (로그, $\int_0^\infty\ln x\cdot R(x)\,dx$, $R$이 짝함수)
  1. $f(z)=\ln z\cdot R(z)$, 분지 $-\frac\pi2<\arg z<\frac{3\pi}2$. 상반평면과 실축(0 제외)에서 해석적입니다.
  2. 경로: 그림 C에서 우회점을 $c=0$으로 둔 것. 0은 극이 아니라 분지점(branch point)이지만 똑같이 작은 반원으로 피합니다.
  3. 음의 실축 위에서는 $z=xe^{i\pi}$이므로 $\ln z=\ln x+i\pi$입니다. $R$이 짝함수이면 $\displaystyle\int_{-\infty}^{0}f\,dz=\int_0^\infty(\ln x+i\pi)R(x)\,dx$.
  4. 그러면 $\displaystyle2\int_0^\infty\ln x\,R\,dx+i\pi\int_0^\infty R\,dx=2\pi i\sum_{\text{상반}}\mathrm{Res}$. 실수부와 허수부를 나눠 읽습니다.
예제 5-2 $\displaystyle\int_0^\infty\frac{\ln x}{1+x^2}\,dx=0$
  1. 경로: $f(z)=\dfrac{\ln z}{1+z^2}$, 분지 $-\frac\pi2<\arg z<\frac{3\pi}2$. 그림 C에서 우회점 $c=0$.
  2. 극: $\pm i$ 중 $i$가 안. $z=0$은 분지점이라 $C_\epsilon$으로 피합니다.
  3. 유수: $\ln i=\ln1+i\frac\pi2=\frac{i\pi}{2}$이므로 $\mathrm{Res}_i=\dfrac{\ln i}{2i}=\dfrac{i\pi/2}{2i}=\dfrac\pi4$.
  4. 원호: $C_R$ 위에서 $|f|\lesssim\frac{\ln R+2\pi}{R^2}$, 길이 $\pi R$이라 $\sim\frac{\ln R}{R}\to0$. $C_\epsilon$ 위에서 $|f|\lesssim|\ln\epsilon|+2\pi$, 길이 $\pi\epsilon$이라 $\sim\epsilon|\ln\epsilon|\to0$.
  5. 결과: 음의 실축 부분은 $\int_0^\infty\frac{\ln x+i\pi}{1+x^2}dx$입니다. $$\begin{aligned}&2\int_0^\infty\frac{\ln x}{1+x^2}dx+i\pi\int_0^\infty\frac{dx}{1+x^2}\\&=2\pi i\cdot\frac\pi4=\frac{i\pi^2}{2}\end{aligned}$$ 실수부: $2I=0$, 곧 $I=0$. 허수부: $\pi\cdot\frac\pi2=\frac{\pi^2}{2}$로 맞습니다(검산).

빠른 확인: $x\to\frac1x$로 치환하면 $I=-I$가 되므로 $I=0$입니다.

레시피 (로그 열쇠구멍, $\int_0^\infty R(x)\,dx$에서 $R$이 짝함수가 아닐 때)
  1. $R$이 짝함수가 아니면 2절처럼 $(-\infty,\infty)$로 늘릴 수 없습니다. 대신 $f(z)=R(z)\ln z$를 만들고, 분지 $0\le\arg z<2\pi$와 그림 D의 열쇠구멍을 씁니다.
  2. 두 변: 위쪽 변은 $\ln z=\ln x$, 아래쪽 변은 $\ln z=\ln x+2\pi i$이고 방향이 반대입니다. 더하면 $\ln x$ 부분이 지워지고 $-2\pi i\int_0^\infty R\,dx$만 남습니다.
  3. 원 기여: $\deg Q\ge\deg P+2$이고 $R(0)$이 유한하면 큰 원은 $\frac{\ln\rho}{\rho}$ 꼴, 작은 원은 $\epsilon|\ln\epsilon|$ 꼴이라 둘 다 0입니다.
  4. 결과: $\displaystyle\int_0^\infty R(x)\,dx=-\sum\mathrm{Res}\big[R(z)\ln z\big]$. 극에서의 로그도 같은 분지로 씁니다. $b>0$이면 $\ln(-b)=\ln b+i\pi$입니다.
  5. $\int_0^\infty R(x)\ln x\,dx$가 필요하면 $\ln^2z$를 곱합니다. 아래쪽 변의 $(\ln x+2\pi i)^2$을 전개하면($R$이 실함수일 때) $$\begin{aligned}\int_0^\infty R\ln x\,dx&=-\frac12\,\mathrm{Re}\sum\mathrm{Res}\big[R\ln^2z\big]\\\int_0^\infty R\,dx&=-\frac{1}{2\pi}\,\mathrm{Im}\sum\mathrm{Res}\big[R\ln^2z\big]\end{aligned}$$ 둘째 식은 검산용입니다.
왜 되나? (증명 스케치)

위쪽 변($\arg z=0$)의 적분은 $\int_0^\infty R\ln x\,dx$입니다. 아래쪽 변($\arg z=2\pi$)에서는 $z=xe^{2\pi i}$라 $\ln z=\ln x+2\pi i$이고, $\infty\to0$ 방향입니다.

$$\begin{aligned}&\int_0^\infty R\ln x\,dx-\int_0^\infty R\,(\ln x+2\pi i)\,dx\\&=-2\pi i\int_0^\infty R\,dx\end{aligned}$$

$\ln x$가 지워지는 것이 요점입니다. 이것이 $2\pi i\sum\mathrm{Res}$와 같으므로 $\int_0^\infty R\,dx=-\sum\mathrm{Res}[R\ln z]$입니다.

$\ln^2z$를 쓰면 같은 방식으로 $\ln^2x$가 지워지고 $-4\pi i\int R\ln x\,dx+4\pi^2\int R\,dx=2\pi i\sum\mathrm{Res}$가 남습니다. $-4\pi i$로 나눠 실수부와 허수부를 읽은 것이 레시피 5입니다. "구하려는 것보다 로그를 하나 더 곱한다"고 기억하면 됩니다.

$z^{a-1}$의 열쇠구멍에서는 위아래가 $e^{2\pi ia}$배 달랐고, 여기서는 $2\pi i$만큼 다릅니다. 차이는 그것뿐입니다.

예제 5-3 $\displaystyle\int_0^\infty\frac{dx}{(x+1)(x+2)}=\ln2$
  1. 경로: 피적분함수가 짝함수가 아니므로 $f(z)=\dfrac{\ln z}{(z+1)(z+2)}$, 분지 $0\le\arg z<2\pi$, 그림 D의 열쇠구멍.
  2. 극: $z=-1=e^{i\pi}$, $z=-2=2e^{i\pi}$. 둘 다 안.
  3. 유수: 단순극이라 가리기로 구합니다. $\ln(-1)=i\pi$, $\ln(-2)=\ln2+i\pi$입니다. $$\begin{aligned}\mathrm{Res}_{-1}&=\frac{\ln(-1)}{-1+2}=i\pi\\\mathrm{Res}_{-2}&=\frac{\ln(-2)}{-2+1}=-\ln2-i\pi\end{aligned}$$ 합은 $-\ln2$입니다.
  4. 원 기여: 분모가 2차, 분자는 로그뿐이라 레시피 3에 따라 0.
  5. 결과: $\displaystyle\int_0^\infty\frac{dx}{(x+1)(x+2)}=-(-\ln2)=\ln2$.

검산: 부분분수로 직접 하면 $\Big[\ln\dfrac{x+1}{x+2}\Big]_0^\infty=0-\ln\dfrac12=\ln2$. 유수의 허수부 $i\pi$와 $-i\pi$가 지워져 답이 실수로 나온 것도 확인하세요.

6. 유형 6 (선택) — 직사각형 경로

× iπ−RRIm z = 2π 그림 E
레시피
  1. 피적분함수가 $z\to z+2\pi i$에서 상수배만 바뀌는지 봅니다. $e^{z+2\pi i}=e^z$이므로 $\frac{e^{az}}{1+e^z}$는 $e^{2\pi ia}$배가 됩니다.
  2. 경로: $-R\to R\to R+2\pi i\to-R+2\pi i\to-R$ (그림 E).
  3. 극: 띠 $0<\mathrm{Im}\,z<2\pi$ 안의 극만 고릅니다.
  4. 세로 변: $R\to\infty$에서 0이 되는지 확인합니다.
  5. 윗변: 아랫변의 $e^{2\pi ia}$배이고 방향이 반대라 $-e^{2\pi ia}I$. 결과식은 5절과 같은 모양 $(1-e^{2\pi ia})I=2\pi i\sum\mathrm{Res}$입니다.
왜 되나? (증명 스케치)

윗변은 $z=x+2\pi i$입니다. $e^{z}=e^xe^{2\pi i}=e^x$이고 $e^{az}=e^{ax}e^{2\pi ia}$이므로 피적분함수가 아랫변의 $e^{2\pi ia}$배입니다. 방향은 $R\to-R$라서 $-e^{2\pi ia}I$입니다. 높이를 $2\pi$로 잡는 이유는 $e^z$의 주기가 $2\pi i$라 분모가 그대로 돌아오기 때문입니다.

$z=\ln t$ ($0\le\arg t<2\pi$)로 바꾸면 띠 $0\le\mathrm{Im}\,z<2\pi$가 $t$평면 전체가 되고, $\frac{e^{az}}{1+e^z}dz=\frac{t^{a-1}}{1+t}dt$입니다. 아랫변은 절단선의 위쪽 변, 윗변은 아래쪽 변에 대응합니다. 그래서 유형 5와 결과식이 똑같습니다.

예제 6-1 $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{e^{ax}}{1+e^x}\,dx=\frac{\pi}{\sin\pi a}$ ($0<a<1$)
  1. 경로: 그림 E.
  2. 극: $1+e^z=0$에서 $z=i\pi(2k+1)$. 띠 안에는 $z=i\pi$ 하나.
  3. 유수: $p/q'$로 $\mathrm{Res}_{i\pi}=\dfrac{e^{az}}{e^z}\Big|_{z=i\pi}=\dfrac{e^{i\pi a}}{e^{i\pi}}=-e^{i\pi a}$.
  4. 세로 변: $\mathrm{Re}\,z=R$에서 $\Big|\dfrac{e^{az}}{1+e^z}\Big|\le\dfrac{e^{aR}}{e^R-1}\approx e^{-(1-a)R}\to0$ ($a<1$). $\mathrm{Re}\,z=-R$에서 $\le\dfrac{e^{-aR}}{1-e^{-R}}\to0$ ($a>0$). 길이는 $2\pi$로 고정이므로 둘 다 0.
  5. 결과: $(1-e^{2\pi ia})\,I=2\pi i\,(-e^{i\pi a})$. 예제 5-1과 똑같은 식이라 $I=\dfrac{\pi}{\sin\pi a}$. ($x=\ln t$로 치환하면 실제로 예제 5-1의 적분이 됩니다.)

7. 자주 하는 실수

8. 연습문제

종이에 먼저 풀고 답을 여세요. 모든 답은 SymPy(유수)와 mpmath(수치적분)로 검산했습니다.

A. 삼각함수형

A1. $\displaystyle\int_0^{2\pi}\frac{d\theta}{2+\cos\theta}$

답$\dfrac{2\pi}{\sqrt3}$ — 예제 1-1에 $a=2$, $b=1$.

A2. $\displaystyle\int_0^{2\pi}\frac{d\theta}{5+3\sin\theta}$

답$\dfrac\pi2$ — 피적분식이 $\frac{2\,dz}{3z^2+10iz-3}$. 근 $-\frac i3$(안), $-3i$(밖). $\mathrm{Res}=\frac{2}{6z+10i}\big|_{-i/3}=\frac1{4i}$.

A3. $\displaystyle\int_0^{2\pi}\frac{\cos2\theta}{5-4\cos\theta}\,d\theta$

답$\dfrac\pi6$ — $\cos2\theta$ 대신 $e^{2i\theta}=z^2$를 넣고 실수부를 읽습니다. $z=0$의 극이 사라지고 $z=\frac12$의 유수가 $\frac1{12i}$.

A4. $\displaystyle\int_0^{2\pi}\frac{\sin^2\theta}{5-4\cos\theta}\,d\theta$

답$\dfrac\pi4$ — $\sin^2=1-\cos^2$. $\int\frac{d\theta}{5-4\cos\theta}=\frac{2\pi}{3}$에서 예제 1-2의 $\frac{5\pi}{12}$를 뺍니다.

A5. $\displaystyle\int_0^{2\pi}\frac{d\theta}{(2+\cos\theta)^2}$

답$\dfrac{4\pi}{3\sqrt3}$ — 단위원 안에 2차 극이 생깁니다. 또는 예제 1-1의 식을 $a$로 미분: $\int\frac{d\theta}{(a+b\cos\theta)^2}=\frac{2\pi a}{(a^2-b^2)^{3/2}}$ (L03의 매개변수 미분).

B. 유리함수형

B1. $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{dx}{x^2+2x+2}$

답$\pi$ — 근 $-1\pm i$. 상반평면 극 $-1+i$에서 $\frac{1}{2z+2}=\frac{1}{2i}$.

B2. $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{dx}{(x^2+4)^2}$

답$\dfrac{\pi}{16}$ — $2i$에서 2차 극. $\frac{d}{dz}(z+2i)^{-2}=-2(z+2i)^{-3}$, $\frac{-2}{(4i)^3}=\frac{1}{32i}$.

B3. $\displaystyle\int_0^\infty\frac{dx}{(x^2+1)(x^2+4)}$

답$\dfrac{\pi}{12}$ — 유수 $\frac{1}{6i}$($i$), $-\frac{1}{12i}$($2i$). $2\pi i\cdot\frac{1}{12i}=\frac\pi6$의 절반.

B4. $\displaystyle\int_0^\infty\frac{x^2}{x^4+1}\,dx$

답$\dfrac{\pi}{2\sqrt2}$ — $\mathrm{Res}_a=\frac{a^2}{4a^3}=\frac{1}{4a}$. 상반평면 합 $\frac14(e^{-i\pi/4}+e^{-3i\pi/4})=-\frac{i\sqrt2}{4}$. 전체 $\frac{\pi}{\sqrt2}$의 절반.

B5. $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{dx}{x^6+1}$

답$\dfrac{2\pi}{3}$ — 상반평면 극 $e^{i\pi/6}$, $i$, $e^{5i\pi/6}$, 유수 $-\frac a6$. 세 근의 합 $2i$이므로 $2\pi i\cdot\big(-\frac{2i}{6}\big)$.

C. 조르당 보조정리

C1. $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{\cos2x}{x^2+1}\,dx$

답$\dfrac{\pi}{e^2}$ — 예제 3-1에 $k=2$, $a=1$.

C2. $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{\cos x}{(x^2+1)^2}\,dx$

답$\dfrac\pi e$ — $i$에서 2차 극. $\frac{d}{dz}\frac{e^{iz}}{(z+i)^2}=\frac{e^{iz}\,[i(z+i)-2]}{(z+i)^3}$에 $z=i$: $\frac{e^{-1}(-4)}{-8i}=\frac{1}{2ie}$.

C3. $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{x\sin2x}{x^2+9}\,dx$

답$\pi e^{-6}$ — $\mathrm{Res}_{3i}\frac{ze^{2iz}}{z^2+9}=\frac{e^{-6}}{2}$, $2\pi i\cdot\frac{e^{-6}}2$의 허수부.

C4. $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{e^{-ix}}{x^2+4}\,dx$

답$\dfrac{\pi}{2}e^{-2}$ — $k=-1$이라 하반평면, 극 $-2i$. $\mathrm{Res}=\frac{e^{-2}}{-4i}$, $-2\pi i\cdot\frac{e^{-2}}{-4i}$.

D. 주값

D1. $\displaystyle\int_0^\infty\frac{\sin x}{x}\,dx$

답$\dfrac\pi2$ — 짝함수라 예제 4-1의 절반.

D2. $\mathrm{P}\!\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{e^{ix}}{x-1}\,dx$를 구하고, 이를 써서 $\mathrm{P}\!\int\frac{\cos x}{x-1}dx$와 $\mathrm{P}\!\int\frac{\sin x}{x-1}dx$를 구하세요.

답$i\pi e^{i}$, 따라서 $-\pi\sin1$과 $\pi\cos1$ — 상반평면 극이 없고 실축 극 $1$의 유수가 $e^i$. $i\pi(\cos1+i\sin1)$의 실수부와 허수부.

D3. $\mathrm{P}\!\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{x\,dx}{(x-1)(x^2+1)}$

답$\dfrac\pi2$ — $\mathrm{Res}_i=\frac{-1-i}{4}$, $\mathrm{Res}_1=\frac12$. $2\pi i\cdot\frac{-1-i}{4}+\pi i\cdot\frac12$.

D4. $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{1-\cos x}{x^2}\,dx$

답$\pi$ — $\frac{1-e^{iz}}{z^2}=\frac{-iz+\frac{z^2}{2}+\cdots}{z^2}$이라 $z=0$은 단순극, 유수 $-i$. 큰 반원은 0이고 $\mathrm{P}\!\int=\pi i\cdot(-i)=\pi$. 실수부를 읽습니다.

E. 분지절단과 로그

E1. $\displaystyle\int_0^\infty\frac{dx}{\sqrt x\,(1+x)}$

답$\pi$ — 예제 5-1에 $a=\frac12$.

E2. $\displaystyle\int_0^\infty\frac{x^{-1/3}}{1+x}\,dx$

답$\dfrac{2\pi}{\sqrt3}$ — $a-1=-\frac13$이므로 $a=\frac23$. $\frac{\pi}{\sin(2\pi/3)}$.

E3. $\displaystyle\int_0^\infty\frac{\sqrt x}{1+x^2}\,dx$

답$\dfrac{\pi}{\sqrt2}$ — $t=x^2$로 치환하면 $\frac12\int_0^\infty\frac{t^{-1/4}}{1+t}dt$, $a=\frac34$. $\frac12\cdot\frac{\pi}{\sin(3\pi/4)}$.

E4. $\displaystyle\int_0^\infty\frac{\ln x}{(x^2+1)^2}\,dx$

답$-\dfrac\pi4$ — 예제 5-2와 같은 경로. $i$에서 2차 극: $\frac{d}{dz}\frac{\ln z}{(z+i)^2}\big|_i=\frac{2-i\pi}{(2i)^3}=\frac{\pi+2i}{8}$. $2\pi i\cdot\mathrm{Res}=-\frac\pi2+\frac{i\pi^2}{4}$. 실수부 $2I=-\frac\pi2$. (허수부 $\frac{\pi^2}{4}=\pi\int_0^\infty\frac{dx}{(x^2+1)^2}$로 검산.)

E5. $\displaystyle\int_0^\infty\frac{\ln x}{x^2+4}\,dx$

답$\dfrac{\pi}{4}\ln2$ — $\mathrm{Res}_{2i}=\frac{\ln 2+i\pi/2}{4i}$. $2\pi i\cdot\mathrm{Res}=\frac\pi2\big(\ln2+\frac{i\pi}{2}\big)$의 실수부가 $2I$.

E6. $\displaystyle\int_0^\infty\frac{dx}{1+x^3}$ (로그 열쇠구멍)

답$\dfrac{2\pi}{3\sqrt3}$ — 극 $a=e^{i\pi/3},\,e^{i\pi},\,e^{5i\pi/3}$에서 $\mathrm{Res}=\frac{\ln a}{3a^2}=-\frac{a\ln a}{3}$. $\sum a\ln a=\frac{2\pi}{\sqrt3}$이라 $\sum\mathrm{Res}=-\frac{2\pi}{3\sqrt3}$.

E7. $\displaystyle\int_0^\infty\frac{\ln x}{(x+1)(x+2)}\,dx$

답$\dfrac{(\ln2)^2}{2}$ — $\ln^2z$를 곱합니다. $\mathrm{Res}_{-1}=(i\pi)^2=-\pi^2$, $\mathrm{Res}_{-2}=-(\ln2+i\pi)^2$. 합은 $-(\ln2)^2-2\pi i\ln2$. 실수부에 $-\frac12$을 곱합니다. 허수부로는 예제 5-3의 $\ln2$가 다시 나옵니다.

E8. $\displaystyle\int_0^\infty\frac{\sqrt x}{(x+1)(x+4)}\,dx$ (일반 공식)

답$\dfrac\pi3$ — $a=\frac32$, $m=2$라 조건 $0<a<m$ 만족. $\mathrm{Res}_{-1}=\frac{(e^{i\pi})^{1/2}}{3}=\frac i3$, $\mathrm{Res}_{-4}=\frac{(4e^{i\pi})^{1/2}}{-3}=-\frac{2i}{3}$, 합 $-\frac i3$. $-\frac{\pi e^{-3i\pi/2}}{\sin(3\pi/2)}=\pi i$를 곱합니다.

E9. $\displaystyle\int_0^\infty\frac{dx}{1+x^n}$ ($n\ge2$ 정수)

답$\dfrac{\pi}{n\sin(\pi/n)}$ — $t=x^n$으로 치환하면 $\frac1n\int_0^\infty\frac{t^{1/n-1}}{1+t}dt$, 곧 예제 5-1에 $a=\frac1n$. $n=3$이면 E6과 같은 값입니다.

F. 직사각형 경로

F1. $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{e^{x/3}}{1+e^x}\,dx$

답$\dfrac{2\pi}{\sqrt3}$ — 예제 6-1에 $a=\frac13$.

F2. $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{dx}{\cosh x}$

답$\pi$ — $\frac{1}{\cosh x}=\frac{2e^x}{1+e^{2x}}$. $t=2x$로 두면 $\int\frac{e^{t/2}}{1+e^t}dt$, 곧 $a=\frac12$.

9. 다음

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