De integraal van
f (x) = 1/(a2 + x2)2
Trefwoorden/keywords: integraal/integral, integreren/integrate, f (x) = 1/(a2 + x2)2

De grafiek van f (x) = 1/(a
2 + x
2)
2 voor a = 1 (de rode lijn),
a = 2 (de groene lijn) en a = 3 (de blauwe lijn)
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:
Ik ga een plaatje maken van f (z) en daarom ga ik de functie eerst anders opschrijven:

De grafiek van f (z) = 1/(a
2 + z
2)
2 voor a = 1
Ik maak de grafiek nog een keer, maar dan met
eenheidsvectoren,
dat ziet er wat duidelijker uit.

De grafiek van f (z) = 1/(a
2 + z
2)
2 (genormaliseerd) voor a = 1
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 = p
1, z = p
2, z = p
3 en z = p
4 (de vier
polen,
daar waar de noemer van de functie nul wordt):
Er zijn dus vier
polen
en die teken ik erbij in de grafiek.
Voor a = 1 bevinden de
polen
zich op +i (twee stuks) en −i (twee stuks).
De
polen
liggen dus paarsgewijs op elkaar.

De grafiek van f (z) = 1/(a
2 + z
2)
2 (genormaliseerd) voor a = 1
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.

De grafiek van f (z) = 1/(a
2 + z
2)
2 (genormaliseerd) voor a = 1
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.

De grafiek van f (z) = 1/(a
2 + z
2)
2 (genormaliseerd) voor a = 1
de vier
polen
(de blauwe stippen)
en het
gesloten contour
(de rode lijn)
De
contourintegraal
is de som van de
integralen
over alle
deel
contouren:
Volgens de
Cauchy-residustelling
geldt:
Waarbij voor het residu geldt (let op: er liggen weliswaar twee
polen
binnen het
contour,
maar omdat die samenvallen is er maar één
niet-
holomorf
punt en dus ook maar één residu!):
Hiermee wordt het linkerlid van de
contourintegraal:
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):
Dan rest mij nog om de laatste term aan te pakken:
Omdat z over het hele
contour
γ
2 oneindig is mag ik schrijven:
Voor z kan ik schrijven (met r een oneindige constante, en φ varieert van 0 tot π):
Hiermee wordt de vorige vergelijking:
De bijdrage aan de
integraal
van het
contour
γ
2 is dus nul.
Ik vond voor de vier
polen:
Het is even belangrijk om het volgende te onthouden, want daar ga ik zometeen gebruik van maken:
De
polen
p
1 en p
3 worden omsloten door het
contour
en daarom ga ik die om de beurt buiten de functie brengen:
Ik heb twee dezelfde antwoorden en dat is logisch, want de
polen
p
1 en p
3 vallen immers samen.
Zoals ik net al zei: er is maar één
niet-
holomorf
punt en dus ook maar één residu.
Omdat er twee samenvallende
polen
zijn ontstaat er wel een probleem, omdat ik voor het bepalen van het residu naar het punt z = p1
(of z = p3) toe wil en dan word ik geconfronteerd met een noemer die nul wordt.
Daarom ga ik gebruik maken van de
regel van De l’Hôpital:
Op deze manier kan ik het residu bepalen:
Nu komt de
regel van De l’Hôpital
in actie:
Hetgeen mij bij het eindantwoord brengt:
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: