複素積分でディリクレ積分を求める

ディリクレ積分

 ∫[0,∞] sin(x) /x dx=π/2 

を複素積分

 ∫C  eiz /z dz=0

で求めます。

閉積分経路Cを

 C=C1+C2+C3+C4

に分けます。ここで

 C1:z=Reiθ 0≦θ≦π

 C2:z=x –R≦x≦-δ

 C3:z=δeiθ  0≦θ≦π

 C4:z=x δ≦x≦R

とします。閉積分経路C内にz=0の極は含まれないので、Cでの積分はコーシ-の定理よりゼロになります。

(1)C1の積分

 0≦sinθ≦1 かつ 2θ/π≦sinθ(0≦θ≦π)、

ですから、

 |exp(iReiθ)|=|exp{iR(cosθ+ i sinθ)}|

       =|exp{iRcosθ}・exp{-R sinθ)}]|

       =e-R sinθ

       ≦e-R2θ/π

従って

 |∫C1 eiz /z dz|=|∫[0,π]  exp(iReiθ) /Reiθ ・iReiθdθ|

         ≦∫[0,π] e-R2θ/π

         =-π/2R・[e-R2θ/π] θ=0,π

          =π/2R・(1-e-2R) → 0 as R→∞

C1の積分はRが無限大になるとゼロになります。

(2)C2の積分

ここで x’=‐xに置き換えると

 ∫C2  eiz /z dz=∫[R,δ]  e‐ix’ /x’ dx’=-∫[δ、R]  e‐ix’ /x’ dx’

となります。

(3)C3の積分

  ∫C3  eiz /z dz=∫[π,0]  exp(iδeiθ) /δeiθ ・iδeiθ

 =i∫[π,0]  {1+(iδeiθ)+O(δ2)}dθ

 → i∫[π,0] dθ=-iπ as δ→0

(4)C4の積分

 ∫C3  eiz /z dz=∫[δ、R]  eix /x dx

となります。以上より

0=∫C1 eiz /z dz+∫C2 eiz /z dz+∫C3 eiz /z dz+∫C4 eiz /z dz

  =∫CR eiz /z dz-∫[δ、R]  e‐ix /x dx+∫[δ、R]  eix /x dx-iπ

  =∫CR eiz /z dz +∫[δ、R] (eix-e‐ix) /x dx-iπ

  =∫CR eiz /z dz +2i∫[δ、R] sin(x) /x dx-iπ

ここで δ→0かつR→∞ とすると

 2i∫[0、∞] sin(x) /x dx-iπ=0

すなわち

 ∫[0、∞] sin(x) /x dx=π/2

が得られます。複素積分を用いると簡単にディリクレ積分の値が求められました。

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