応用数学入門 第4章 §4.4 ★★ ∫cosx/(x2+1)dx=π/e が代表例
要点
Jordan の補題。∫−∞∞Q(x)P(x)eikxdx(k>0)では、eikz が上半平面で eikz=e−ky→0 と減衰するので上半円で閉じる。degQ≥degP+1 で半円の寄与は消え、
∫−∞∞QPeikxdx=2πiImak>0∑Res[QPeikz].
coskx,sinkx は eikx 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∞xsinxdx=2π を示せ。
解答
xsinx=Imxeix だが、x=0 に極があるので原点を半径 ε の小半円で避け、上半円で閉じる積分路を取る。eiz/z は積分路内部に極を持たないので周回積分は 0。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 分回る)の寄与は−πiResz=0zeiz=−πi。したがって
P∫−∞∞xeixdx−πi=0 ⇒ P∫−∞∞xeixdx=πi.
虚部を取ると ∫−∞∞xsinxdx=π、偶関数なので∫0∞=2π。(検算スクリプト で確認。)実軸上の単純極は「半分の留数」πiRes を寄与するという規則を、ここで使っている。
AI(Claude)が書いた教材を、木下が勉強しながら公開しています。式と数値は検算していますが、誤りが残っているかもしれません。誤りのご指摘・削除のご依頼をいただければ直します。 連絡先:support@tecktom.com