Compleja:ej-cap3.4

2.-Calcule $\int _{-\infty }^{\infty }{\frac {x+1}{x^{4}+1}}\,dx$

Tomamos la función compleja $f(z)={\frac {z+1}{z^{4}+1}}$ de la cual tomamos las raíces $z^{4}+1\,$ para determinar los polos.Los cuales estan dados por:

$z_{1}=e^{{\frac {1}{4}}i\pi }\,$, $z_{2}=e^{{\frac {3}{4}}i\pi }\,$, $z_{3}=e^{{\frac {-3}{4}}i\pi }\,$, $z_{4}=e^{{\frac {-1}{4}}i\pi }\,$

por tanto, ${\displaystyle \int }_{c}f(z)=2\pi i[(f(z),z_{1})+(f(z),z_{2})]$

para obtener los residuos aplicamos

$Res(f(z),e^{{\frac {1}{4}}i\pi })=\lim _{z\to e^{\frac {1}{4}}i\pi }(z-e^{{\frac {1}{4}}i\pi }){\frac {z+1}{(z^{4}+1)}}$

Aplicando la regla de L´ Hopital obtenemos

$Res(f(z),e^{{\frac {1}{4}}i\pi })=\lim _{z\to e^{\frac {1}{4}}i\pi }{\frac {(z-e^{{\frac {1}{4}}i\pi })+(z+1)}{4z^{3}}}={\frac {1}{4}}(e^{{\frac {-1}{4}}i\pi }+e^{{\frac {-3}{4}}i\pi })$

$Res(f(z),e^{{\frac {3}{4}}i\pi })=\lim _{z\to e^{\frac {3}{4}}i\pi }(z-e^{{\frac {3}{4}}i\pi }){\frac {z+1}{(z^{4}+1)}}$

$Res(f(z),e^{{\frac {3}{4}}i\pi })=\lim _{z\to e^{\frac {3}{4}}i\pi }{\frac {(z-e^{{\frac {3}{4}}i\pi })+(z+1)}{4z^{3}}}={\frac {1}{4}}(e^{{\frac {-3}{2}}i\pi }+e^{{\frac {-9}{4}}i\pi })$

Aplicando la fórmula de Euler $e^{ix}=\cos x+i\,{\mbox{sen}}\,x$ llegamos al resultado de la integral real.

${\displaystyle \int }_{c}f(z)=\int _{-\infty }^{\infty }{\frac {x+1}{x^{4}+1}}\,dx=2\pi i{\frac {1}{4}}(e^{{\frac {-1}{2}}i\pi }+e^{{\frac {-3}{4}}i\pi }+e^{{\frac {-3}{2}}i\pi }+e^{{\frac {-9}{4}}i\pi })={\frac {\pi {\sqrt {2}}}{2}}$

--Oscar Rodriguez 17:40 9 dic 2010 (UTC)

p.199

mfg-wiki 15:01 30 nov 2010 (UTC)

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3. Calcule $\int _{0}^{2\pi }{\frac {1}{2-{\text{Sin}}(\theta )}}\,d\theta$ .

Primero haciendo la sustitución ${\text{Sin}}(\theta )={\frac {1}{2i}}\left(z-{\frac {1}{z}}\right)$ y

$d\theta ={\frac {dz}{iz}}$ . Dicha sustitución proviene del hecho que $Sin(\theta )={\frac {{{e}^{i\theta }}-{{e}^{-i\theta }}}{2i}}$, $z={{e}^{i\theta }}$ y $dz=i{{e}^{i\theta }}d\theta$.

Continuando con el problema, obtenemos la integral

$\int _{c}{\frac {1}{2+\left({\frac {1}{2iz}}\left(z-{\frac {1}{z}}\right)\right)}}{\frac {dz}{iz}}$

Simplificando queda $\int _{c}{\frac {2}{4iz-z^{2}+1}}dz{\text{ }}{\frac {(-1)}{(-1)}}$

o $\int _{c}{\frac {-2}{z^{2}-4iz-1}}dz$

Luego buscamos los polos del denomidador osea los polos de ${{z}^{2}}-4iz-1$

los cuales son $z={\overset {+}{-}}{\sqrt {3}}i+2i$

solo tomamos el polo $-{\sqrt {3}}i+2i$

porque es el único que esta dentro del circulo de radio 1, el cual es la región sobre la que estamos integrando.

Ahora obtenemos el Residuo de la funcion que es igual a

$\operatorname {Re} s(f(z),-{\sqrt {3}}i+2i)={\underset {z\to (-{\sqrt {3}}i+2i)}{\mathop {\lim } }}\,{\frac {z-(-{\sqrt {3}}i+2i)}{{{z}^{2}}-4iz-1}}=\left(-{\frac {i}{2{\sqrt {3}}i}}\right)$

hay que recordar que sacamos un $-2$ de la integral por lo que al multiplicar ese $-2$ por $-{\frac {i}{2{\sqrt {3}}}}$

obtenemos ${\frac {2i}{2{\sqrt {3}}}}$

y finalmente por la definición

${\frac {1}{2\pi i}}\int _{c}f(z)dz=\left\{{\text{Res}}\left(f(z),z_{1}\right)+{\text{...}}+{\text{Res}}\left(f(z),z_{k}\right)\right\}$

la integral es igual a ${\frac {2\pi }{\sqrt {3}}}$

4. Calcule $\int _{0}^{2\pi }{\frac {1}{\left(1-2b{\text{Cos}}[\theta ]+b^{2}\right)}}\,d\theta$ , $b>1$

$\int _{0}^{2\pi }{\frac {1}{\left(1-2b{\text{Cos}}[\theta ]+b^{2}\right)}}\,d\theta$ , $b>1$

al sustituir ${\text{Cos}}[\theta ]={\frac {1}{2}}\left(z+{\frac {1}{z}}\right)$

y $d\theta ={\frac {dz}{iz}}$. La sustitución proviene del hecho que

$Cos(\theta )={\frac {{{e}^{i\theta }}-{{e}^{-i\theta }}}{2}}$ y $z={{e}^{i\theta }}$ y $dz=i{{e}^{i\theta }}d\theta$.

Continuando con el problema, obtenemos la integral

$\int _{c}{\frac {1}{i(1-zb)(z-b)}}dz$

Buscasmos los polos de la función ${\frac {1}{i(1-zb)(z-b)}}$

obtenemos que los dos polos que son

$z=b$ y $z={\frac {1}{b}}$ como

$b>1$

entonces el unico polo que estaría en la región que

nos interesa es $z=1/b$

por lo tanto solo necesitamos calcular el residuo de

$f(z)$ para este polo.

${\displaystyle lim_{z\longrightarrow ({\frac {1}{b}})}}{\displaystyle {\dfrac {z-({\frac {1}{b}})}{i(1-zb)(z-b)}}}=(-{\frac {i}{-1+b^{2}}})$

finalmente la integral

$\int _{0}^{2\pi }{\frac {1}{\left(1-2b{\text{Cos}}[\theta ]+b^{2}\right)}}\,d\theta$

es igual a ${\frac {2\pi }{-1+b^{2}}}$

--Pedro Pablo Ramírez Martínez 14:18 9 dic 2010 (UTC)

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