De integraal van
f (x) = 1/((a2 + x2) (b2 + x2))

Trefwoorden/keywords: integraal/integral, integreren/integrate, f (x) = 1/((a2 + x2) (b2 + x2))
Vergelijking
Grafiek
De grafiek van f (x) = 1/((a2 + x2) (b2 + x2)) voor a = 1 (de rode lijn),
a = 2 (de groene lijn) en a = 3 (de blauwe lijn), b = 1.5
Deze integraal ga ik oplossen als contourintegraal. Zoals gebruikelijk begin ik door mijn probleem over te hevelen naar het complexe vlak en dat doe ik door simpelweg iedere x in het functievoorschrift te vervangen door een z:
Vergelijking
Ik ga een plaatje maken van f (z) en daarom ga ik de functie eerst anders opschrijven:
Vergelijking
Grafiek
De grafiek van f (z) = 1/((a2 + z2) (b2 + z2)) voor a = 1, b = 1.5
Ik maak de grafiek nog een keer, maar dan met eenheidsvectoren, dat ziet er wat duidelijker uit.
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Grafiek
De grafiek van f (z) = 1/((a2 + z2) (b2 + z2)) (genormaliseerd) voor a = 1, b = 1.5
Ik zoek de functie op in de holomorfietabel van complexe functies en ik vind dat de functie overal holomorf is (elders op het internet wordt hier altijd blind van uitgegaan, maar dat moet toch echt wel even gecheckt worden), behalve voor z = p1, z = p2, z = p3 en z = p4 (de vier polen, daar waar de noemer van de functie nul wordt):
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Er zijn dus vier polen en die teken ik erbij in de grafiek. Voor a = 1 en b = 1.5 bevinden de polen zich op +1.5i, +i, −i en −1.5i.
Grafiek
De grafiek van f (z) = 1/((a2 + z2) (b2 + z2)) (genormaliseerd) voor a = 1, b = 1.5
en de vier polen (de blauwe stippen)
Vervolgens ga ik een contour aanleggen en een onderdeel daarvan moet zijn van x = −∞ tot x = +∞, want dat is immers de probleemstelling waar ik mee begon.
Grafiek
De grafiek van f (z) = 1/((a2 + z2) (b2 + z2)) (genormaliseerd) voor a = 1, b = 1.5
de vier polen (de blauwe stippen)
en het contour van x = −∞ tot x = +∞ (de rode lijn)
Nu moet ik het contour nog wel sluiten (want om redenen die weldra duidelijk worden wil ik graag een gesloten contour) en dat doe ik met een halve cirkel die de beide uiteinden van het contour van x = +∞ tot x = −∞ met elkaar verbindt.
Grafiek
De grafiek van f (z) = 1/((a2 + z2) (b2 + z2)) (genormaliseerd) voor a = 1, b = 1.5
de vier polen (de blauwe stippen)
en het gesloten contour (de rode lijn)
De contourintegraal is de som van de integralen over alle deelcontouren:
Vergelijking
Cauchy
Cauchy

Volgens de Cauchy-residustelling geldt:

Vergelijking

Waarbij voor ieder residu geldt:
Vergelijking
Hiermee wordt het linkerlid van de contourintegraal:
Vergelijking
De eerste term van het rechterlid is mijn oorspronkelijke probleem (want voor dat deel van het contour is het imaginaire deel nul en geldt dus dat z = x):
Vergelijking
Dan rest mij nog om de laatste term aan te pakken:
Vergelijking
Omdat z over het hele contour γ2 oneindig is mag ik schrijven:
Vergelijking
Voor z kan ik schrijven (met r een oneindige constante, en φ varieert van 0 tot π):
Vergelijking
Hiermee wordt de vorige vergelijking:
Vergelijking
De bijdrage aan de integraal van het contour γ2 is dus nul.

Ik vond voor de vier polen:
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Het is even belangrijk om het volgende te onthouden, want daar ga ik zometeen gebruik van maken:
Vergelijking
Vergelijking
De polen p1 en p3 worden omsloten door het contour en daarom ga ik die om de beurt buiten de functie brengen:
Vergelijking
Vergelijking
Waaruit volgt:
Vergelijking
Vergelijking
Hetgeen mij bij het eindantwoord brengt:
Vergelijking
In het functievoorschrift is te zien dat het niet uitmaakt of a positief of negatief is, maar in het antwoord dat ik zojuist gevonden heb is dat niet het geval. Omdat de functie overal boven de x-as ligt (zie de grafiek) is het antwoord altijd positief en moet ik dus de absolute waarde nemen:
Vergelijking