与えられた二つの定積分を計算します。 (1) $I = \int_0^{2\pi} \frac{\cos\theta}{(5+4\cos\theta)^2} d\theta$ (2) $I = \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{dx}{x^4+x^2+1}$

解析学定積分複素積分留数定理
2025/7/23

1. 問題の内容

与えられた二つの定積分を計算します。
(1) I=02πcosθ(5+4cosθ)2dθI = \int_0^{2\pi} \frac{\cos\theta}{(5+4\cos\theta)^2} d\theta
(2) I=+dxx4+x2+1I = \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{dx}{x^4+x^2+1}

2. 解き方の手順

(1) 複素積分を用いて計算します。z=eiθz = e^{i\theta}とおくと、dz=ieiθdθ=izdθdz = i e^{i\theta} d\theta = iz d\thetaなので、dθ=dzizd\theta = \frac{dz}{iz}となります。また、cosθ=12(z+1z)\cos\theta = \frac{1}{2}(z + \frac{1}{z})です。したがって、
I=z=112(z+1z)(5+412(z+1z))2dziz=z=112(z+1z)(5+2(z+1z))2dzizI = \oint_{|z|=1} \frac{\frac{1}{2}(z+\frac{1}{z})}{(5+4\cdot \frac{1}{2}(z+\frac{1}{z}))^2} \frac{dz}{iz} = \oint_{|z|=1} \frac{\frac{1}{2}(z+\frac{1}{z})}{(5+2(z+\frac{1}{z}))^2} \frac{dz}{iz}
=z=112(z2+1z)(5+2(z2+1z))2dziz=z=1z2+12z(5z+2z2+2z)2dziz=z=1z2+12z(2z2+5z+2)2z2dziz= \oint_{|z|=1} \frac{\frac{1}{2}(\frac{z^2+1}{z})}{(5+2(\frac{z^2+1}{z}))^2} \frac{dz}{iz} = \oint_{|z|=1} \frac{\frac{z^2+1}{2z}}{(\frac{5z+2z^2+2}{z})^2} \frac{dz}{iz} = \oint_{|z|=1} \frac{\frac{z^2+1}{2z}}{\frac{(2z^2+5z+2)^2}{z^2}} \frac{dz}{iz}
=z=1z2+12zz2(2z2+5z+2)21izdz=z=1z(z2+1)2i(2z2+5z+2)2dz= \oint_{|z|=1} \frac{z^2+1}{2z} \cdot \frac{z^2}{(2z^2+5z+2)^2} \cdot \frac{1}{iz} dz = \oint_{|z|=1} \frac{z(z^2+1)}{2i(2z^2+5z+2)^2} dz
=12iz=1z(z2+1)(2z2+5z+2)2dz=12iz=1z(z2+1)(2(z+2)(z+12))2dz=12iz=1z(z2+1)4(z+2)2(z+12)2dz= \frac{1}{2i} \oint_{|z|=1} \frac{z(z^2+1)}{(2z^2+5z+2)^2} dz = \frac{1}{2i} \oint_{|z|=1} \frac{z(z^2+1)}{(2(z+2)(z+\frac{1}{2}))^2} dz = \frac{1}{2i} \oint_{|z|=1} \frac{z(z^2+1)}{4(z+2)^2(z+\frac{1}{2})^2} dz
=18iz=1z(z2+1)(z+2)2(z+12)2dz= \frac{1}{8i} \oint_{|z|=1} \frac{z(z^2+1)}{(z+2)^2(z+\frac{1}{2})^2} dz
f(z)=z(z2+1)(z+2)2f(z) = \frac{z(z^2+1)}{(z+2)^2}とおくと、被積分関数はf(z)(z+12)2\frac{f(z)}{(z+\frac{1}{2})^2}となります。留数定理より、
z=1f(z)(z+12)2dz=2πif(12)\oint_{|z|=1} \frac{f(z)}{(z+\frac{1}{2})^2} dz = 2\pi i f'(-\frac{1}{2})
f(z)=(3z2+1)(z+2)2z(z2+1)2(z+2)(z+2)4=(3z2+1)(z+2)2z(z2+1)(z+2)3=3z3+6z2+z+22z32z(z+2)3=z3+6z2z+2(z+2)3f'(z) = \frac{(3z^2+1)(z+2)^2 - z(z^2+1) \cdot 2(z+2)}{(z+2)^4} = \frac{(3z^2+1)(z+2) - 2z(z^2+1)}{(z+2)^3} = \frac{3z^3+6z^2+z+2 - 2z^3-2z}{(z+2)^3} = \frac{z^3+6z^2-z+2}{(z+2)^3}
f(12)=18+6(14)(12)+2(32)3=18+32+12+2278=1+12+4+168278=3127f'(-\frac{1}{2}) = \frac{-\frac{1}{8} + 6(\frac{1}{4}) - (-\frac{1}{2}) + 2}{(\frac{3}{2})^3} = \frac{-\frac{1}{8} + \frac{3}{2} + \frac{1}{2} + 2}{\frac{27}{8}} = \frac{\frac{-1+12+4+16}{8}}{\frac{27}{8}} = \frac{31}{27}
I=18iz=1z(z2+1)(z+2)2(z+12)2dz=18i(2πif(12))=18i2πi3127=π43127=31π108I = \frac{1}{8i} \oint_{|z|=1} \frac{z(z^2+1)}{(z+2)^2(z+\frac{1}{2})^2} dz = \frac{1}{8i} (2\pi i f'(-\frac{1}{2})) = \frac{1}{8i} 2\pi i \frac{31}{27} = \frac{\pi}{4} \cdot \frac{31}{27} = \frac{31\pi}{108}
(2) x4+x2+1=(x2+1)2x2=(x2+x+1)(x2x+1)x^4+x^2+1 = (x^2+1)^2 - x^2 = (x^2+x+1)(x^2-x+1)と因数分解できます。
1x4+x2+1=Ax+Bx2+x+1+Cx+Dx2x+1\frac{1}{x^4+x^2+1} = \frac{Ax+B}{x^2+x+1} + \frac{Cx+D}{x^2-x+1}
1=(Ax+B)(x2x+1)+(Cx+D)(x2+x+1)1 = (Ax+B)(x^2-x+1) + (Cx+D)(x^2+x+1)
1=Ax3Ax2+Ax+Bx2Bx+B+Cx3+Cx2+Cx+Dx2+Dx+D1 = Ax^3 - Ax^2 + Ax + Bx^2 -Bx + B + Cx^3 + Cx^2 + Cx + Dx^2 + Dx + D
1=(A+C)x3+(A+B+C+D)x2+(AB+C+D)x+(B+D)1 = (A+C)x^3 + (-A+B+C+D)x^2 + (A-B+C+D)x + (B+D)
A+C=0A+C = 0, A+B+C+D=0-A+B+C+D = 0, AB+C+D=0A-B+C+D = 0, B+D=1B+D = 1
C=AC=-A, 2A+B+D=0-2A + B + D = 0, 2AB+D=02A - B + D = 0, B+D=1B+D = 1
2A+1=0-2A + 1 = 0, 2A+1=02A+1 = 0なので、A=12A = \frac{1}{2}, C=12C=-\frac{1}{2}.
12+B+D=0-\frac{1}{2} + B + D = 0より、B+D=12B+D=\frac{1}{2}だが、B+D=1B+D=1なので矛盾。
x4+x2+1=(x2+3x+1)(x23x+1)x^4+x^2+1 = (x^2+\sqrt{3}x+1)(x^2-\sqrt{3}x+1)と因数分解できる。
1x4+x2+1=Ax+Bx2+3x+1+Cx+Dx23x+1\frac{1}{x^4+x^2+1} = \frac{Ax+B}{x^2+\sqrt{3}x+1} + \frac{Cx+D}{x^2-\sqrt{3}x+1}
1=(Ax+B)(x23x+1)+(Cx+D)(x2+3x+1)1 = (Ax+B)(x^2-\sqrt{3}x+1) + (Cx+D)(x^2+\sqrt{3}x+1)
1=Ax33Ax2+Ax+Bx23Bx+B+Cx3+3Cx2+Cx+Dx2+3Dx+D1 = Ax^3 - \sqrt{3}Ax^2 + Ax + Bx^2 - \sqrt{3}Bx + B + Cx^3 + \sqrt{3}Cx^2 + Cx + Dx^2 + \sqrt{3}Dx + D
1=(A+C)x3+(3A+B+3C+D)x2+(A3B+C+3D)x+(B+D)1 = (A+C)x^3 + (-\sqrt{3}A + B + \sqrt{3}C + D)x^2 + (A - \sqrt{3}B + C + \sqrt{3}D)x + (B+D)
A+C=0A+C = 0, 3A+B+3C+D=0-\sqrt{3}A + B + \sqrt{3}C + D = 0, A3B+C+3D=0A - \sqrt{3}B + C + \sqrt{3}D = 0, B+D=1B+D = 1
C=AC = -A, 23A+B+D=0-2\sqrt{3}A + B + D = 0, 2A3(BD)=02A - \sqrt{3}(B-D) = 0, B+D=1B+D=1
23A+1=0-2\sqrt{3}A + 1 = 0, 2A=3(BD)2A = \sqrt{3}(B-D), A=123A = \frac{1}{2\sqrt{3}}, C=123C = -\frac{1}{2\sqrt{3}}
2(123)=3(BD)2(\frac{1}{2\sqrt{3}}) = \sqrt{3}(B-D)より13=3(BD)\frac{1}{\sqrt{3}} = \sqrt{3}(B-D)
BD=13B-D = \frac{1}{3}, B+D=1B+D = 1より、2B=432B = \frac{4}{3}B=23B = \frac{2}{3}D=13D = \frac{1}{3}.
dxx4+x2+1=123x+23x2+3x+1+123x+13x23x+1dx\int_{-\infty}^{\infty} \frac{dx}{x^4+x^2+1} = \int_{-\infty}^{\infty} \frac{\frac{1}{2\sqrt{3}}x + \frac{2}{3}}{x^2+\sqrt{3}x+1} + \frac{-\frac{1}{2\sqrt{3}}x + \frac{1}{3}}{x^2-\sqrt{3}x+1} dx
積分が難しいので、留数定理を使う。
z4+z2+1=0z^4+z^2+1 = 0の解を求める。
z2=1±142=1±i32z^2 = \frac{-1 \pm \sqrt{1-4}}{2} = \frac{-1 \pm i\sqrt{3}}{2}
z2=e±i2π3z^2 = e^{\pm i \frac{2\pi}{3}}
z=ei(±π3+πk)z = e^{i (\pm \frac{\pi}{3} + \pi k)} (k=0,1k=0, 1)
z1=eiπ3=12+i32z_1 = e^{i\frac{\pi}{3}} = \frac{1}{2} + i \frac{\sqrt{3}}{2}, z2=ei2π3=12+i32z_2 = e^{i\frac{2\pi}{3}} = -\frac{1}{2} + i \frac{\sqrt{3}}{2},
z3=eiπ3=12i32z_3 = e^{-i\frac{\pi}{3}} = \frac{1}{2} - i \frac{\sqrt{3}}{2}, z4=ei2π3=12i32z_4 = e^{-i\frac{2\pi}{3}} = -\frac{1}{2} - i \frac{\sqrt{3}}{2}.
上半平面にあるのはz1,z2z_1, z_2
f(z)=1z4+z2+1f(z) = \frac{1}{z^4+z^2+1}
I=2πi(Res(f,z1)+Res(f,z2))I = 2\pi i (\text{Res}(f, z_1) + \text{Res}(f, z_2))
Res(f,z1)=limzz1zz1z4+z2+1=limzz114z3+2z=14eiπ+2eiπ3=14+1+i3=13+i3=3i39+3=3i312=14i312\text{Res}(f, z_1) = \lim_{z \to z_1} \frac{z-z_1}{z^4+z^2+1} = \lim_{z \to z_1} \frac{1}{4z^3+2z} = \frac{1}{4e^{i\pi}+2e^{i\frac{\pi}{3}}} = \frac{1}{-4+1+i\sqrt{3}} = \frac{1}{-3+i\sqrt{3}} = \frac{-3-i\sqrt{3}}{9+3} = \frac{-3-i\sqrt{3}}{12} = -\frac{1}{4} - i \frac{\sqrt{3}}{12}
Res(f,z2)=limzz214z3+2z=14e2πi+2ei2π3=14+2(12+i32)=141+i3=13+i3=3i312=14i312\text{Res}(f, z_2) = \lim_{z \to z_2} \frac{1}{4z^3+2z} = \frac{1}{4e^{2\pi i}+2e^{i\frac{2\pi}{3}}} = \frac{1}{4+2(-\frac{1}{2}+i\frac{\sqrt{3}}{2})} = \frac{1}{4-1+i\sqrt{3}} = \frac{1}{3+i\sqrt{3}} = \frac{3-i\sqrt{3}}{12} = \frac{1}{4} - i \frac{\sqrt{3}}{12}
Res(f,z1)+Res(f,z2)=i36\text{Res}(f, z_1) + \text{Res}(f, z_2) = -\frac{i\sqrt{3}}{6}
I=2πi(i36)=π33I = 2\pi i (-\frac{i\sqrt{3}}{6}) = \frac{\pi \sqrt{3}}{3}

3. 最終的な答え

(1) 31π108\frac{31\pi}{108}
(2) π33\frac{\pi \sqrt{3}}{3}

「解析学」の関連問題

問題4.2は、$f(x)$を連続関数とするとき、与えられた$x$の関数を微分するという問題です。具体的には、以下の2つの関数を微分します。 (1) $\int_x^{x^2} f(t) dt$ (2)...

微分積分微積分学の基本定理定積分
2025/7/23

与えられた4つの関数について、不定積分をそれぞれ求める。 (1) $\int \frac{\sqrt{x}}{1+\sqrt{x}} dx$ (2) $\int \frac{1}{1+\sqrt{x^...

不定積分置換積分部分分数分解三角関数による置換
2025/7/23

曲線 $C$ がパラメータ表示 $x = 3\cos t$, $y = 3\sin t$ ($0 \le t \le 2\pi$) で与えられているとき、曲線 $C$ の長さ $L$ を求めよ。

曲線の長さパラメータ表示積分三角関数
2025/7/23

曲線 $y = \sqrt{x}$、直線 $y = 2$、および $y$ 軸で囲まれた部分を $y$ 軸の周りに1回転させてできる回転体の体積 $V$ を求める問題です。

積分回転体の体積円盤積分定積分
2025/7/23

曲線 $C: \begin{cases} x = \cos t \\ y = \sin t \end{cases} (0 \le t \le \pi)$ と$x$軸で囲まれた部分の面積$S$を求める問...

積分面積媒介変数表示三角関数半角の公式
2025/7/23

問題は、三角関数の値を求める問題です。具体的には、以下の3つのことを求めます。 * $2\cos^2{\frac{\theta}{2}}$ を簡単な形で表す。 * $f(\theta) = 2...

三角関数半角の公式三角関数の合成三角方程式
2025/7/23

$0 \le x \le \frac{\pi}{2}$において、2つの曲線 $y = \sin 2x$ と $y = \cos x$ で囲まれた部分の面積 $S$ を求める問題です。

積分面積三角関数
2025/7/23

定積分 $\int_a^x tf(t)dt = -\frac{1}{x} + 1$ を満たす定数 $a$ の値を求める問題です。ただし、$x > 0$ とします。

定積分積分ライプニッツの法則微分
2025/7/23

関数 $F(x) = \int_{\frac{\pi}{3}}^{x} (x - 3t) \cos{t} \, dt$ を微分せよ。

積分微分部分積分定積分関数
2025/7/23

(1) $z=0$ 平面における $\mathbf{A}$ の様子を図示する。 (2) 原点を中心とする $xy$ 平面上の半径 $a$ の円周 $C_1$ (時計回り) に沿った線積分 $\...

ベクトル場線積分面積分ストークスの定理
2025/7/23