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Dirichlet 积分

【问题】计算广义积分

0+sinxxdx

解法一:构造含参变量函数

I=0+sinxxdx

构造函数

f(x)=0+extsinttdt(x0)

f(0)=I

同时,利用定积分的基本性质,可以证明

0|0+extsinttdt|0+ext|sintt|dt0+extdt=1x

INFO

复变函数积分的特殊性质

复变函数积分的性质几乎与第二类曲线积分的性质一致。这里做一个补充和总结。

设曲线 C 的长度为 Lf(z) 是有界的,且

|f(z)|M

那么有如下不等式成立

|Cf(z)dz|C|f(z)|dsCMdsML

所以,根据极限的两边夹定理,当 x+

limx+|f(x)|=0limx+f(x)=0

INFO

极限的两边夹定理

设数列 {an},{bn} 收敛,且当 n

limn+an=limn+bn=k

若存在自然数 N,使得当 n>N 时,数列 {cn} 满足

ancnbn

则数列 {cn} 收敛,且当 n

limn+cn=k

对函数 f(x) 求一阶导数

f(x)=0+extxsinttdt=t0+extsinttdt=0+extsintdt

然后我们令

Φ=0+extsintdt

应用两次分部积分法

Φ=0+extsintdt=1x0+sintdext=1x(extsint|0+0+extdsint)=1x20+costdext=1x2(extcost|0+0+extdcost)=1x2(1+Φ)

解得

Φ=1x2+1

于是

f(x)=0+extsintdt=1x2+1

等式两边同时积分,由牛顿-莱布尼兹公式得

0+f(x)=0+1x2+1dx=arctanx|0+=π2=limx+f(x)f(0)=I

解得

I=π2

解法二:化为二重积分

考虑如下广义积分

0+exydy=1xexy|0+=1x

将之代入原式得

0+sinxxdx=0+sinx(0+exydy)dx=R+2sinxexydxdy

化为二重积分后,交换积分次序,即先对 x 积分

0+sinxxdx=0+(0+sinxexydx)dy

由解法一的计算结果可知,上式可化简为

0+sinxxdx=0+1y2+1dy=arctanx|0+=π2

解法三:留数定理

INFO

留数

洛朗级数负幂项的系数

Res[f(z),a]=12πiz=a+ρeiθf(z)dz

INFO

留数定理

闭合回路积分等于所有孤立奇点的留数之和

Cf(z)dz=2πii=1nRes[f(z),zi]

根据欧拉公式可知

sinx=12i(eixeix)

所以

0+sinxxdx=12i0+eixeixxdx=12i0+eixxdx12i0eixxd(x)=12i0+eixxdx+12i0eixxdx=12i+eixxdx

构造复变函数

f(z)=eizz

它有一个孤立奇点 z0=0。由留数定理得

0+sinxxdx=12i+eixxdx=12iiπRes[f(z),z0]=π2Res[f(z),z0]

注意到此处在运用留数定理时,被积函数是定义在实数域上的。实轴上的奇点具有对称性,积分路径(即实轴)的上半部分和下半部分对积分的贡献是相等的。因此,在应用留数定理时只需考虑上半复平面的情况即可。

0+sinxxdx=π2Res[f(z),z0]=π212πi|z|=εf(z)dz=14i|z|=εeizzdz

其中,ε>0 是一个任意小的常数。所以曲线积分的路径是一个半径为 ε 的圆。

作变量变换 z=iz,相当于将复平面顺时针旋转了 90°。但是这并没有改变曲线积分的路径,即

|z|=ε|iz|=ε

下面来计算这个环路上的积分

|z|=εeizzdz=|z|=εeizizd(iz)=|z|=εezzdz=|z|=ε1z(n=0znn!)dz=|z|=ε(1z+n=1zn1n!)dz=|z|=ε1zdz+|z|=εn=1zn1n!dz

由柯西积分定理可知,如果环路所围成的区域是单连通区域,即没有孤立奇点,那么积分结果为零。这意味着

|z|=εn=1zn1n!dz=0

那么,下面只需求解

|z|=ε1zdz

作变量变换 z=eiθ,得到

|z|=ε1zdz=02π1eiθd(eiθ)=i02πdθ=2πi

于是

0+sinxxdx=14i|z|=εeizzdz=14i2πi=π2

解法四:柯西积分定理

由解法三可知

0+sinxxdx=12i+eixxdx=12i(0eixxdx+0+eixxdx)

定义复变函数

f(z)=eizz

为了挖掉 f(z) 的孤立奇点 z0=0,定义 f(z) 的积分路径 C

CR:|z|=R,argz[0,π]Cr:|z|=r,argz[0,π]Im(z)=0,|z|[r,R]

所构成的正向闭曲线,如下图所示

由柯西积分定理得

Ceizzdz=CReizzdz+Rreixxdx+Creizzdz+rReixxdx=0

那么

(*)0+sinxxdx=12ilimr0R+(Rreixxdx+rReixxdx)=12i(limR+CReizzdz+limr0Creizzdz)

下面分别计算这两个曲线积分。首先计算外环路径上的积分

CReizzdzCR|eiz||z|ds=1RCR|eixy|ds=1RCReyds=0πeRsinθdθ=20π2eRsinθdθ20π2e2Rπθdθ=πRe2Rπθ|0π2=πR(1eR)

这里进行了两次放大。第一次是利用积分的基本性质(保号性的推论),第二次是将曲线简化为割线。具体来说,对于 θ[0,π2]

sinθ2πθ

而根据被积函数的单调性,达到化曲为直、放大结果的目的。

所以当 R+

(1)limR+CReizzdz=0

下面继续计算内环路径上的积分。我们尝试将 f(z) 展开成洛朗级数

Creizzdz=Cr1zn=0inznn!dz=Cr(1z+n=1inzn1n!)dz=Cr1zdz+Crn=1inzn1n!dz=π0ireiθreiθdθ+Crn=1inzn1n!dz=Crn=1inzn1n!dziπ

由于被积函数中需要展开的部分只有指数函数,相当于是作了泰勒级数展开。

下面研究正幂项的积分,令

φ(z)=n=1inzn1n!dz

|Crφ(z)dz|Cr|φ(z)|ds=Cr|n=1inin1zn1(n1)!|dsCr|n=1in1zn1(n1)!|ds=Cr|eiz|ds=r0πdθ=πr

这里一共进行了两次放大。第一次是利用积分的基本性质(保号性的推论),第二次是将求和的每一项都放大 n 倍。

所以当 r0

limr0Crφ(z)dz=0

于是

(2)limr0Creizzdz=limr0Crn=1inzn1n!dziπ=iπ

将 (1), (2) 这两个积分的结果代入原式 (*),得到

0+sinxxdx=12i(limR+CReizzdz+limr0Creizzdz)=(12i)(iπ)=π2

附:闭曲线作图相关代码

python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 定义参数
R = 10.0  # 外半径
r = 1.0  # 内半径

# 生成参数 t
theta = np.linspace(0, np.pi, 100)  # 0到2π之间均匀分布的100个点
t1 = np.linspace(-R, -r, 50)  # -R到-r之间均匀分布的50个点
t2 = np.linspace(r, R, 50)  # r到R之间均匀分布的50个点

# 生成复数 z
z1 = r * np.exp(1j * theta)  # 内圆上的点
z2 = R * np.exp(1j * theta)  # 外圆上的点
z3 = t1  # 右侧线上的点
z4 = t2  # 左侧线上的点

p = np

# 绘制图形
plt.figure(figsize=(6, 6))  # 设置图形大小
plt.plot(np.real(z1), np.imag(z1), 'b')  # 绘制内圆弧
plt.plot(np.real(z2), np.imag(z2), 'r')  # 绘制外圆弧
plt.plot(np.real(z3), np.imag(z3), 'g')  # 绘制右侧线
plt.plot(np.real(z4), np.imag(z4), 'g')  # 绘制左侧线
plt.plot(0, 0, 'ko')  # 绘制奇点

# 绘制曲线方向
plt.plot(0, 10, 'r<')
plt.plot(0, 1, 'b>')
plt.plot(-5, 0, 'g>')
plt.plot(5, 0, 'g>')

plt.xlabel('Real')  # x轴标签
plt.ylabel('Imaginary')  # y轴标签
plt.title('Closed Curve')  # 图形标题
plt.grid(True)  # 显示网格
plt.axis('equal')  # 设置坐标轴比例相等
plt.show()  # 显示图形

解法五:傅里叶变换

考虑如下定积分

12π11πeiwtdw=12iteiwt|11=12it(eiteit)=sintt

这是一个傅里叶逆变换的表达式,它充分地说明了频域内的信号

F(w)={π,1w10,else

在时域内对应的信号就是被积函数 f(t),即

F(w)=F(f(t))=+f(t)eiwtdt=11sintteiwtdt=π

w=0,得到

F(0)=+sinttdt=π

又因为 f(x) 是偶函数,所以

0+sinxxdx=12+sinxxdx=π2

解法六:拉普拉斯变换

构造一个以 t 为变量的函数 f(t)

f(t)=0+sintxxdx(t>0)

则原式的值即为 f(1)。对 f(t) 作拉普拉斯变换得

F(s)=L(f(t))=0+(0+sintxxdx)estdt=R+2sintxxestdxdt=0+1x(0+sintxestdt)dx

交换二重积分的积分次序后,使用两次分部积分法计算内层积分

I=0+sintxestdt=1s0+sintxdest=1s(sintxest|0+x0+costxestdt)=xs0+costxestdt=xs20+costxdest=xs2(costxest|0++x0+sintxestdt)=xs2(xI1)

解得

I=xx2+s2

代入原式得

F(s)=0+1xxx2+s2dx=1s0+1(xs)2+1dxs=1sarctan(xs)|0+=π2s

于是,再将 F(s) 作拉普拉斯逆变换得

f(t)=L1(F(s))=π2L1(1s)=π214πjβjβ+jestsds

查阅拉普拉斯变换对可知

1su(t)

其中 u(t) 是单位阶跃函数

u(t)={0,t<01,t>0

所以 f(t) 的表达式为

f(t)=π2L1(1s)={0,t<0π2,t>0

于是

0+sinxxdx=f(1)=π2

特别地,我们通过拉普拉斯逆变换的方法发现,对于任意的 n>0,有

0+sinnxxdx=π2
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