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指数・三角関数つき(Jordan の補題)

2026年10月15日3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 §4.4 ★★ ∫cos⁡x/(x2+1) ⁣dx=π/e\int\cos x/(x^2+1)\mathop{}\!\mathrm{d} x=\pi/\mathrm{e} が代表例

要点

Jordan の補題。∫−∞∞P(x)Q(x)eikx ⁣dx\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\frac{P(x)}{Q(x)}\mathrm{e}^{\mathrm{i} k x}\mathop{}\!\mathrm{d} x(k>0k>0)では、eikz\mathrm{e}^{\mathrm{i} kz} が上半平面で ∣eikz∣=e−ky→0\left\vert \mathrm{e}^{\mathrm{i} kz}\right\vert =\mathrm{e}^{-ky}\to0 と減衰するので上半円で閉じる。deg⁡Q≥deg⁡P+1\deg Q\ge\deg P+1 で半円の寄与は消え、

∫−∞∞PQeikx ⁣dx=2πi∑Im⁡ak>0Res⁡[PQeikz].\int_{-\infty}^{\infty}\frac{P}{Q}\mathrm{e}^{\mathrm{i} kx}\mathop{}\!\mathrm{d} x=2\pi\mathrm{i}\sum_{\operatorname{Im} a_k>0}\operatorname{Res}\Bigl[\frac{P}{Q}\mathrm{e}^{\mathrm{i} kz}\Bigr].

cos⁡kx,sin⁡kx\cos kx,\sin kx は eikx\mathrm{e}^{\mathrm{i} kx} の実部・虚部を取って得る。

例題 4.4(実軸上の極・主値と半留数 ★)

オリジナル∫0∞sin⁡xx ⁣dx=π2\displaystyle\int_{0}^{\infty}\frac{\sin x}{x}\mathop{}\!\mathrm{d} x=\frac{\pi}{2} を示せ。

解答

sin⁡xx=Im⁡eixx\dfrac{\sin x}{x}=\operatorname{Im}\dfrac{\mathrm{e}^{\mathrm{i} x}}{x} だが、x=0x=0 に極があるので原点を半径 ε\varepsilon の小半円で避け、上半円で閉じる積分路を取る。eiz/z\mathrm{e}^{\mathrm{i} z}/z は積分路内部に極を持たないので周回積分は 00。大半円は Jordan で消え、実軸の主値積分と小半円の寄与が残る。原点の小半円(半時計まわりを避けるので −π-\pi 分回る)の寄与は−πi Res⁡z=0eizz=−πi-\pi\mathrm{i}\,\operatorname{Res}_{z=0}\dfrac{\mathrm{e}^{\mathrm{i} z}}{z}=-\pi\mathrm{i}。したがって

P ⁣∫−∞∞eixx ⁣dx−πi=0 ⇒ P ⁣∫−∞∞eixx ⁣dx=πi.\mathrm{P}\!\int_{-\infty}^\infty\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i} x}}{x}\mathop{}\!\mathrm{d} x-\pi\mathrm{i}=0 \ \Rightarrow\ \mathrm{P}\!\int_{-\infty}^\infty\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i} x}}{x}\mathop{}\!\mathrm{d} x=\pi\mathrm{i}.

虚部を取ると ∫−∞∞sin⁡xx ⁣dx=π\int_{-\infty}^\infty\dfrac{\sin x}{x}\mathop{}\!\mathrm{d} x=\pi、偶関数なので∫0∞=π2\int_0^\infty=\dfrac\pi2。(検算スクリプト で確認。)実軸上の単純極は「半分の留数」πi Res⁡\pi\mathrm{i}\,\operatorname{Res} を寄与するという規則を、ここで使っている。

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