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目次
問題
解答
\(f(z)=\displaystyle\frac{(\mathrm{Log} z)^3}{z^2+1}\) として下の経路で積分。
① 分子を\((\mathrm{Log} z)^3\)にしていることに注意。
※ 後の計算から分かるが、\((\mathrm{Log} z)^3\)の項は相殺されて消えて、\((\mathrm{Log} z)^2\)の項が最高次として残るためです。
② 対数関数を多価関数にしないために通常は\(-\pi\leq \theta\leq \pi\)にとることが多いが、今回は\(0\leq\theta\leq 2\pi\)にとる。こうすることで、一価関数となる。
ちなみに、この積分路は「keyhole contour（鍵穴積分路）」と呼ばれる。
留数定理より以下の等式が導かれる。
\(\displaystyle\int_{r}^{R} \displaystyle\frac{(\log x)^3}{x^2+1}dx+\displaystyle\int_{C_{2}} \displaystyle\frac{(\mathrm{Log} z)^3}{z^2+1}dz\)
\(+\displaystyle\int_{R}^{r} \displaystyle\frac{(\log x+2\pi i)^3}{x^2+1} dx+\displaystyle\int_{C_{4}} \displaystyle\frac{(\mathrm{Log} z)^3}{z^2+1}dz\)
\(=2\pi i\times (留数和)\)
※左辺第三項は積分路を一周しているので\(\log z=\log x+2\pi i\) となる。
左辺第一項と第三項
\(R\to\infty\)、\(r\to 0\)極限で
\(\displaystyle\int_{r}^{R} \displaystyle\frac{(\log x)^3}{x^2+1}dx+\displaystyle\int_{R}^{r} \displaystyle\frac{(\log x+2\pi i)^3}{x^2+1} dx\)
\(=\displaystyle\int_{0}^{\infty} \displaystyle\frac{(\log x)^3}{x^2+1}dx-\displaystyle\int_{0}^{\infty} \displaystyle\frac{(\log x+2\pi i)^3}{x^2+1} dx\)
\(=\displaystyle\int_{0}^{\infty} \displaystyle\frac{-6\pi i(\log x)^2+12\pi^2\log x+8\pi^3 i}{x^2+1}dx\)
\(=\displaystyle\int_{0}^{\infty} \displaystyle\frac{-6\pi i(\log x)^2}{x^2+1}dx+8\pi^3 i\displaystyle\int_{0}^{\infty} \displaystyle\frac{dx}{x^2+1}+\displaystyle\int_{0}^{\infty} \displaystyle\frac{12\pi^2\log x}{x^2+1}dx\)
\(=\displaystyle\int_{0}^{\infty} \displaystyle\frac{-6\pi i(\log x)^2}{x^2+1}dx+4\pi^4 i+12\pi^2\displaystyle\int_{0}^{\infty} \displaystyle\frac{\log x}{x^2+1}dx\)
※\(\displaystyle\int_{0}^{\infty}\displaystyle\frac{dx}{x^2+1}=\displaystyle\frac{\pi}{2}\) を使っている。
左辺第二項と第四項
結果から言うと、\(R\to\infty\)、\(r\to 0\)極限でともに\(0\)になる。
第二項
\(|z|=R\to \infty\) で \(z f(z)\to 0\)より
\(\biggl|\displaystyle\int_{外円} f(z) dz\biggr|\leq \displaystyle\int_{外円}|f(z)||dz|=2\pi r |f(z)|=2\pi |zf(z)| \to 0\)
※ \(z f(z)\to 0\)は\(z=Re^{i\theta}\)とおいて考えれば
\(zf(z)=\displaystyle\frac{z(\mathrm{Log} z)^3}{z^2+1}=\displaystyle\frac{Re^{i\theta}(\log R+i\theta)^3}{R^2 e^{2i\theta}+1} \to 0\)
第四項
\(|z|=r \to 0\) で \(z f(z)\to 0\)より
\(\biggl|\displaystyle\int_{内円} f(z) dz\biggr|\leq \displaystyle\int_{内円}|f(z)||dz|=2\pi r |f(z)|=2\pi |zf(z)| \to 0\)
※ \(z f(z)\to 0\)は\(z=re^{i\theta}\)とおいて考えれば
\(zf(z)=\displaystyle\frac{z(\mathrm{Log} z)^3}{z^2+1}=\displaystyle\frac{re^{i\theta}(\log r+i\theta)^3}{r^2 e^{2i\theta}+1} \to 0\)
右辺
極は\(z=\pm i\)で、留数は
\(\mathrm{Res}(f(z) , i)=\biggl[\displaystyle\frac{(\mathrm{Log} z)^3}{2z}\biggr]_{i}=-\displaystyle\frac{\pi^3}{16}\)
\(\mathrm{Res}(f(z) , -i)=\biggl[\displaystyle\frac{(\mathrm{Log} z)^3}{2z}\biggr]_{-i}=\displaystyle\frac{27\pi^3}{16}\)
\(0\leq\theta\leq 2\pi\)に限ってることに注意する。この結果、右辺（留数和）は
\(右辺=2\pi i\biggl(-\displaystyle\frac{\pi^3}{16}+\displaystyle\frac{27\pi^3}{16}\biggr)=\displaystyle\frac{13\pi^4 i}{4}\)
まとめ
以上のことをまとめると留数定理の式は以下のように変わる。
\(-6\pi i\displaystyle\int_{0}^{\infty} \displaystyle\frac{(\log x)^2}{x^2+1}dx+4\pi^4 i+12\pi^2\displaystyle\int_{0}^{\infty} \displaystyle\frac{\log x}{x^2+1}dx=\displaystyle\frac{13\pi^4 i}{4}\)
虚部を比較すると
\(-6\pi \displaystyle\int_{0}^{\infty} \displaystyle\frac{(\log x)^2}{x^2+1}dx+4\pi^4 =\displaystyle\frac{13\pi^4}{4}\)
これを計算すると答えは
\(\displaystyle\int_{0}^{\infty} \displaystyle\frac{(\log x)^2}{x^2+1}dx=\displaystyle\frac{\pi^3}{8}\)
答え
\(\displaystyle\int_{0}^{\infty} \displaystyle\frac{(\log x)^2}{x^2+1}dx=\displaystyle\frac{\pi^3}{8}\)
