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有理関数の広義積分(上半円法)

2026年10月15日2分で読めますAI生成教科書『基礎理論』第4章 留数による実積分(有理・三角・指数)

AI 生成・木下が未勉強

応用数学入門 第4章 §4.3 ★★ 上半平面の留数を数える:∫ ⁣dx/(x2+a2)\int\mathop{}\!\mathrm{d} x/(x^2+a^2) が基本形

要点

∫−∞∞P(x)Q(x) ⁣dx\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\frac{P(x)}{Q(x)}\mathop{}\!\mathrm{d} x(deg⁡Q≥deg⁡P+2\deg Q\ge\deg P+2、実軸上に極なし)は、上半平面の大半円で閉じる。半円上の寄与は R→∞R\to\infty で消えるので

∫−∞∞PQ ⁣dx=2πi∑Im⁡ak>0Res⁡z=akPQ.\int_{-\infty}^{\infty}\frac{P}{Q}\mathop{}\!\mathrm{d} x=2\pi\mathrm{i}\sum_{\operatorname{Im} a_k>0}\operatorname{Res}_{z=a_k}\frac{P}{Q}.

例題 4.2(有理関数 ★★)

オリジナル∫−∞∞ ⁣dx1+x4\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\frac{\mathop{}\!\mathrm{d} x}{1+x^4} を求めよ。

解答

1+z4=01+z^4=0 の根は z=eiπ/4,e3iπ/4,e5iπ/4,e7iπ/4z=\mathrm{e}^{\mathrm{i}\pi/4},\mathrm{e}^{3\mathrm{i}\pi/4},\mathrm{e}^{5\mathrm{i}\pi/4},\mathrm{e}^{7\mathrm{i}\pi/4}。上半平面にあるのは z1=eiπ/4, z2=e3iπ/4z_1=\mathrm{e}^{\mathrm{i}\pi/4},\ z_2=\mathrm{e}^{3\mathrm{i}\pi/4}。単純極なので Res⁡=1(z4)′=14z3=z4z4=z−4\operatorname{Res}=\dfrac{1}{(z^4)'}=\dfrac{1}{4z^3}=\dfrac{z}{4z^4}=\dfrac{z}{-4}(z4=−1z^4=-1 を使用)。

2πi(z1+z2−4)=2πi⋅−(eiπ/4+e3iπ/4)4.2\pi\mathrm{i}\Bigl(\frac{z_1+z_2}{-4}\Bigr) =2\pi\mathrm{i}\cdot\frac{-(\mathrm{e}^{\mathrm{i}\pi/4}+\mathrm{e}^{3\mathrm{i}\pi/4})}{4}.

eiπ/4+e3iπ/4=i2\mathrm{e}^{\mathrm{i}\pi/4}+\mathrm{e}^{3\mathrm{i}\pi/4}=\mathrm{i}\sqrt2 なので、値は2πi⋅−i24=π22\pi\mathrm{i}\cdot\dfrac{-\mathrm{i}\sqrt2}{4}=\dfrac{\pi}{\sqrt2}。(検算スクリプト で確認。)Res⁡=p(a)q′(a)\operatorname{Res}=\dfrac{p(a)}{q'(a)} を使うと高次の分母でも手早く処理できる好例である。

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