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半円上の発散する複素経路積分による有理関数の広義積分 📂複素解析

半円上の発散する複素経路積分による有理関数の広義積分

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二つの多項関数p(z),q(z)p(z) , q(z)に対して、f(z)=q(z)p(z)\displaystyle f(z) = {{q(z)} \over {p(z)}}とする。

p(z)=0p(z) = 0を満たす実数解が存在しない場合、ffは実数の特異点を持たないだろう。このような有理関数の不適切積分f(z)dz\displaystyle \int_{-\infty}^{\infty} f(z) dzが存在する条件は、f(z)1zp\displaystyle f(z) \sim {{1} \over {z^{p}}}からp>1p > 1である。無限級数の概念で考えた場合、n=01np\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} {{{1} \over {n^{p}}} }が収束するための必要十分条件がp>1p>1であることと関連付けることができるだろう。この条件をもっと簡潔に表すと、limzzf(z)=0\displaystyle \lim_{z \to \infty } z f(z) = 0である。

一方で、以下のような単純閉半円路C=Γ[R,R]\mathscr{C} = {\color{red}\Gamma} \cup [-R,R]について考えてみよう。 20171121_171111.png すると、Cf(z)dz=Γf(z)dz+RRf(z)dz\displaystyle \int_{\mathscr{C}} f(z) dz = { \color{red} \int_{\Gamma} f(z) dz } + \int_{-R}^{R} f(z) dzに分割して考えることができ、RR \to \inftyならば、もともと解こうとしている不適切積分に関する式を得ることができる。

定理 1

関数ffが半径がRRで中心が00の半円Γ \Gamma 上で連続であり、limzzf(z)=0\displaystyle \lim_{z \to \infty } z f(z) = 0とするならば limRΓf(z)dz=0 \lim_{R \to \infty} \int_{\Gamma} f(z) dz = 0

説明

上記のような補助定理があれば、RR \to \inftyの時、Γf(z)dz0\displaystyle {\color{red} \int_{\Gamma} f(z) dz } \to 0であるため、Cf(z)dz=f(z)dz\displaystyle \int_{\mathscr{C}} f(z) dz = \int_{-\infty}^{\infty} f(z) dzである。

一方で、Cf(z)dz\displaystyle \int_{\mathscr{C}} f(z) dz留数定理を利用して簡単に計算することができ、不適切積分はf(z)dz=2πiResf(z)\displaystyle \int_{-\infty}^{\infty} f(z) dz = 2 \pi i \sum \text{Res} f(z)に落ちる。この方法は後にジョルダンの補助定理を使ったテクニックでも続けて登場する。補助定理の証明はそれほど難しくない。

証明

limzzf(z)=0\displaystyle \lim_{z \to \infty} z f(z) = 0が与えられているので、任意のε>0\varepsilon >0に対して1z<δ    zf(z)<ε\displaystyle |{{1} \over {z}}| < \delta \implies |zf(z)| < \varepsilonを満たすδ>0\delta > 0が存在するだろう。

Γ\Gamma上で、z=R|z|=Rであるので、RRに関して整理すると 1R<δ    f(z)<εR {{1} \over {R}} < \delta \implies |f(z)| < { {\varepsilon} \over {R}} ML補助定理により 1R<δ    Cf(z)dz<(Rπ+2R)εR=(π+2)ε {{1} \over {R}} < \delta \implies |\int_{\mathscr{C}} f(z) dz | < \left( R \cdot \pi + 2 R \right) \cdot { {\varepsilon} \over {R}} = ( \pi + 2 ) \varepsilon 従って、limRΓf(z)dz=0\displaystyle \lim_{R \to \infty} \int_{\Gamma} f(z) dz = 0

一般化

証明をよく見ると、Γ\Gammaが半円である必要は特にないので、以下のような一般化が可能である。

発散する円弧上の複素パス積分: 関数ffが半径がRRで、中心が00の円弧Γ:z(θ)=Reiθ,αθβ\Gamma : z(\theta) = R e^{i \theta} , \alpha \le \theta \le \beta上で連続であり、limzzf(z)=l\displaystyle \lim_{z \to \infty } z f(z) = lとするならば limRΓf(z)dz=(βα)li \lim_{R \to \infty} \int_{\Gamma} f(z) dz = ( \beta - \alpha) l i

この投稿で紹介された補助定理は、上記の一般定理からα=0,β=π,l=0\alpha = 0, \beta = \pi, l = 0の場合の系である。本質的に同じ方法であるため、証明は省略する。

収縮する半円上の複素パス積分: 関数ffが半径がrrで、中心が00の半円γ \gamma 上で連続であり、limz0zf(z)=0\displaystyle \lim_{z \to 0 } z f(z) = 0とするならば limr0γf(z)dz=0\lim_{r \to 0} \int_{\gamma} f(z) dz = 0

また、上記のような補助定理も難しくなく導出できる。

もちろん、半円でなくても円弧でも構わない。


  1. Osborne (1999). Complex variables and their applications: p163. ↩︎