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用留數(shù)定理處理有理分式不定積分

2022-02-10 14:08 作者:湮滅的末影狐  | 我要投稿

上個視頻手算了梗圖上的積分:

前情提要

當時將分式進行拆分才得以完成,結(jié)果相當復雜,參見上次專欄:

然后評論區(qū)有人問100次方能不能算。

其實也是可以的,但是需要更高級的方法:留數(shù)定理。

關(guān)于留數(shù)定理,筆者去年曾有相關(guān)筆記在此分享:

其實剛學的時候只學到留數(shù)可以處理實變函數(shù)的定積分,確實沒想到在拆分有理分式時各項系數(shù)可以用留數(shù)解決。

所以,今天我們來求:

%5Cint%20%5Cfrac%7B%5Cmathrm%7Bd%7Dx%20%7D%7Bx%5E%7B100%7D%2B1%7D

為了化為能解的形式,我們首先考慮拓展到復數(shù)域,考慮復變函數(shù):

f(z)%3D%5Cfrac1%7Bz%5E%7B100%7D%2B1%7D

它有100個一階奇點:

z_k%20%3D%20e%5E%7B%5Cfrac%7B2k-1%7D%7B100%7D%5Cpi%20i%7D%2C%20k%3D1%2C2%2C...%2C100

由于每個奇點都是一階,可以考慮將它寫成以下求和:

f(z)%20%3D%20%5Csum_%7Bk%3D1%7D%5E%7B100%7D%20%5Cfrac%7BA_k%7D%7Bz-z_k%7D

那么利用兩邊的表達式求解第 k 個奇點留數(shù),就可知:

%7B%5Crm%20Res%7D%20f(z_k)%20%3D%202%5Cpi%20i%20%5Clim_%7Bz%5Crightarrow%20z_k%7D%5Cfrac%7Bz-z_k%7D%7Bz%5E%7B100%7D%2B1%7D%20%3D%202%5Cpi%20i%20%5Cfrac1%7B100z_k%5E%7B99%7D%7D%3D2%5Cpi%20i%20A_k

從而得到

A_k%20%3D%20%5Cfrac1%7B100z_k%5E%7B99%7D%7D

這樣積分就容易處理了,只需把每個奇點那一項和與它復共軛的奇點那一項相加:

%5Cfrac%7BA_k%7D%7Bz-z_k%7D%20%2B%20%5Cfrac%7BA_%7B101-k%7D%7D%7Bz-z_%7B101-k%7D%7D%3D%5Cfrac1%7B50%7D%5Cfrac%7B1-z%5Ccos%5Cfrac%7B2k-1%7D%7B100%7D%5Cpi%7D%7Bz%5E2-2z%5Ccos%5Cfrac%7B2k-1%7D%7B100%7D%5Cpi%2B1%7D

就可以讓一切回到實數(shù)域了。所以

%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%5Cint%5Cfrac%7B%5Cmathrm%20d%20x%7D%7Bx%5E%7B100%7D%2B1%7D%20%26%3D%20%5Cfrac1%7B50%7D%5Csum_%7Bk%3D1%7D%5E%7B50%7D%5Cint%5Cfrac%7B1-x%5Ccos%5Cfrac%7B2k-1%7D%7B100%7D%5Cpi%7D%7Bx%5E2-2x%5Ccos%5Cfrac%7B2k-1%7D%7B100%7D%5Cpi%2B1%7D%5C%5C%0A%26%3D%5Csum_%7Bk%3D1%7D%5E%7B50%7D%5Cleft%5B%5Cfrac%7B1%7D%7B50%7D%20%5Csin%20%5Cfrac%7B2%20k-1%7D%7B100%7D%20%5Cpi%20%5Carctan%20%5Cfrac%7Bx-%5Ccos%20%5Cfrac%7B2%20k-1%7D%7B100%7D%20%5Cpi%7D%7B%5Csin%20%5Cfrac%7B2%20k-1%7D%7B100%7D%20%5Cpi%7D-%5Cfrac%7B1%7D%7B100%7D%20%5Ccos%20%5Cfrac%7B2%20k-1%7D%7B100%7D%20%5Cpi%20%5Cln%20%5Cleft(x%5E%7B2%7D-2%20x%20%5Ccos%20%5Cfrac%7B2%20k-1%7D%7B100%7D%20%5Cpi%2B1%5Cright)%5Cright%5D%0A%5Cend%7Baligned%7D

搞定。

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