Skip to content
Integraler över begränsade intervall

Integraler över begränsade intervall

Integraler av typen

∫abf(x) dx \int_a^b f(x)\, dx

ser ut som att de passar rätt illa att beräkna med hjälp av residykalkyl, åtminstone om integranden inte är periodisk. Med hjälp av ett kreativt variabelbyte, så går det dock att förvandla integralen till en som passar bättre in i residykalkylens metoder.

Vi illustrerar idén med integralen

∫01x2 dx \int_0^1 x^2\,dx

som förstås är oerhört mycket enklare att beräkna direkt. Vi börjar med ett variabelbyte som förvandlar intervallet [0,1][0,1] till [0,∞)[0,\infty). Närmare bestämt sätter vi

t=x1−x⇔(1−x)t=x⇔t=x(1+t)⇔x=t1+t. \begin{align*} t = \frac{x}{1-x} &\quad\Leftrightarrow\quad (1-x)t = x \\ &\quad\Leftrightarrow\quad t = x(1+t) \quad\Leftrightarrow\quad x = \frac{t}{1+t}. \end{align*}

Vi behöver också räkna ut dxdx:

dx=(t1+t)′ dt=(1+t)−t(1+t)2 dt=dt(1+t)2. dx = \left( \frac{t}{1+t} \right)'\,dt = \frac{(1+t)-t}{(1+t)^2} \,dt = \frac{dt}{(1+t)^2}.

Beräkningen ovan visar att variabelbytet är inverterbart. När x=0x=0 blir t=0t=0 och när x→1x \to 1 går t→∞t \to \infty. Efter variabelbytet har vi alltså integralen

∫01x2 dx=∫0∞(t1+t)2⋅dt(1+t)2=∫0∞t2(1+t)4 dt. \begin{align*} \int_0^1 x^2\,dx &= \int_0^\infty \left(\frac{t}{1+t} \right)^2 \cdot \frac{dt}{(1+t)^2} \\ &= \int_0^\infty \frac{t^2}{(1+t)^4}\,dt. \end{align*}

Denna integral kan nu behandlas med metoderna i avsnitt 10.5. Sätt

f(z)=z2Log⁡nz(1+z)4, f(z) = \frac{z^2 \Logn z}{(1+z)^4},

där Log⁡n\Logn betecknar den naturliga grenen av log⁡\log och integrera över en hålkaka:

Vi undersöker vad som händer på de olika delarna av kurvan. På CRC_R är

∣z2Log⁡nz(1+z)4∣≤4R2(ln⁡R+2π)R4 \left| \frac{z^2 \Logn z}{(1+z)^4} \right| \le \frac{4R^2(\ln R + 2\pi)}{R^4}

och MLML-olikheten visar att

∣∫CRz2Log⁡nz(1+z)4∣≤2πR⋅4R2(ln⁡R+2π)R4→0 \left| \int_{C_R} \frac{z^2 \Logn z}{(1+z)^4} \right| \le 2\pi R \cdot \frac{4R^2(\ln R + 2\pi)}{R^4} \to 0

då R→∞R\to\infty.

En liknande uppskattning på CεC_{\varepsilon} ger

∣z2Log⁡nz(1+z)4∣≤16ε2(ln⁡ε+2π) \left| \frac{z^2 \Logn z}{(1+z)^4} \right| \le 16\varepsilon^2 (\ln \varepsilon + 2\pi)

och därmed att

∣∫Cεz2Log⁡nz(1+z)4 dz∣≤2πε⋅16ε2(ln⁡ε+2π)→0 \left| \int_{C_\varepsilon} \frac{z^2 \Logn z}{(1+z)^4} \,dz \right| \le 2\pi\varepsilon \cdot 16\varepsilon^2 (\ln \varepsilon + 2\pi) \to 0

då ε→0\varepsilon \to 0. (Här utnyttjade vi att ∣1+z∣≥12|1+z| \ge \frac12 om ε\varepsilon är litet.)

Integralerna över de båda cirklarna går alltså mot 00 då R→∞R\to\infty och ε→0\varepsilon \to 0. Det som återstår är att undersöka vad som händer på I+I^+ och I−I^-. På I+I^+ får vi

∫I+z2Log⁡nz(1+z)4 dz=∫εRx2ln⁡x(1+x)4 dx \int_{I^+} \frac{z^2 \Logn z}{(1+z)^4}\,dz = \int_{\varepsilon}^R \frac{x^2 \ln x}{(1+x)^4}\,dx

och på I−I^-:

∫I−z2Log⁡nz(1+z)4 dz=∫Rεx2(ln⁡x+2πi)(1+x)4 dx=−∫εRx2(ln⁡x+2πi)(1+x)4 dx. \begin{align*} \int_{I^-} \frac{z^2 \Logn z}{(1+z)^4}\,dz &= \int_{R}^{\varepsilon} \frac{x^2 (\ln x+2\pi i)}{(1+x)^4}\,dx \\ &= -\int_{\varepsilon}^R \frac{x^2 (\ln x+2\pi i)}{(1+x)^4}\,dx. \end{align*}

Det följer därmed att

∫I+z2Log⁡nz(1+z)4 dz+∫I−z2Log⁡nz(1+z)4 dz=∫εR−2πix2(1+x)4 dx. \int_{I^+} \frac{z^2 \Logn z}{(1+z)^4}\,dz + \int_{I^-} \frac{z^2 \Logn z}{(1+z)^4}\,dz = \int_{\varepsilon}^R \frac{-2\pi i x^2}{(1+x)^4}\,dx.

Residysatsen och gränsövergång (R→∞R \to \infty, ε→0\varepsilon \to 0) ger till sist:

−2πi∫0∞x2(1+x)4 dx=2πiRes⁡z=−1(z2Log⁡nz(1+z)4), -2\pi i\int_{0}^\infty \frac{x^2}{(1+x)^4}\,dx = 2\pi i \operatorname{Res}\limits_{z=-1}\left( \frac{z^2 \Logn z}{(1+z)^4}\right),

dvs. [ \int_{0}^\infty \frac{x^2}{(1+x)^4},dx =

  • \operatorname{Res}\limits_{z=-1}\left( \frac{z^2 \Logn z}{(1+z)^4}\right), ] eftersom z=−1z=-1 är den enda singulariteten för ff inuti kurvan.

Denna singularitet är en fyrdubbel pol och residyregel 1 ger

Res⁡z=−1(z2Log⁡nz(1+z)4)=13!(z2Log⁡nz)′′′∣z=−1. \operatorname{Res}\limits_{z=-1}\left( \frac{z^2 \Logn z}{(1+z)^4}\right) = \frac{1}{3!} \big( z^2 \Logn z \big)'''\Big|_{z=-1}.

Vi sätter g(z)=z2Log⁡nzg(z) = z^2\Logn z och deriverar:

g′(z)=2zLog⁡nz+zg′′(z)=2Log⁡nz+3g′′′(z)=2z, \begin{align*} g'(z) &= 2z\Logn z + z \\ g''(z) &= 2\Logn z + 3 \\ g'''(z) &= \frac2z, \end{align*}

dvs. g′′′(−1)=−2g'''(-1) = -2 och [ \int_{0}^\infty \frac{x^2}{(1+x)^4},dx =

  • \operatorname{Res}\limits_{z=-1}\left( \frac{z^2 \Logn z}{(1+z)^4}\right) = -\frac1{3!} \cdot (-2) = \frac13, ] vilket inte borde komma som någon överraskning.

På liknande sätt kan man (åtminstone för vissa typer av integrander) hantera integralen

∫abf(x) dx \int_a^b f(x)\,dx

genom att först göra variabelbytet

t=x−ab−x t = \frac{x-a}{b-x}

och därefter följa ovanstående metod.

Pdf-fil för utskrift