计算
∫∞0cos(mx)x4+x2+1dx.
解:留数理论的一种解答:
注意到
∫∞0cos(mx)x4+x2+1dx=12∫∞−∞cos(mx)x4+x2+1dx.
若令
F(m)=∫∞−∞cos(mx)x4+x2+1dx=∫∞−∞cos(mx)(x2−x+1)(x2+x+1)dx=12∫∞−∞(x+1)cos(mx)x2+x+1dx−12∫∞−∞(x−1)cos(mx)x2−x+1dx.
⇒F′(m)=−12∫∞−∞(x2+x)sin(mx)x2+x+1dx+12∫∞−∞(x2−x)sin(mx)x2−x+1dx=12∫∞−∞sin(mx)x2+x+1dx−12∫∞−∞sin(mx)x2−x+1dx
再令
I=12∫∞−∞sin(mx)x2+x+1dx−12∫∞−∞sin(mx)x2−x+1dx,T=12∫∞−∞ei(mx)x2+x+1dx−12∫∞−∞ei(mx)x2−x+1dx.
则
I=ImT.
即T的虚部为I.因此,为了计算积分I,只需求出积分
∫∞−∞ei(mx)x2+x+1dx−∫∞−∞ei(mx)x2−x+1dx
即可.先求
∫∞−∞ei(mx)x2+x+1dx.
求得辅助函数
P(z)Q(z)ei(mz)=ei(mz)z2+z+1
在上半平面的奇点只有点α=−12+√32i(另一个奇点为β=−12−√32i).于是我们有
∫∞−∞ei(mx)x2+x+1dx=2πi⋅Res(ei(mz)z2+z+1,−12+√32i).
由于
Res(ei(mz)z2+z+1,−12+√32i)=limz→α(z−α)ei(mz)(z−α)(z−β)=e−√32m−12im√3i.
⇒∫∞−∞ei(mx)x2+x+1dx=2π√3e−√32m−12im=2π√3e−√32m(cosm2−isinm2).
同理亦得
∫∞−∞ei(mx)x2−x+1dx=2π√3e−√32m(cosm2+isinm2).
⇒∫∞−∞ei(mx)x2+x+1dx−∫∞−∞ei(mx)x2−x+1dx=−4πi√3e−√32msinm2
故
F′(m)=I=ImT=Im12(∫∞−∞ei(mx)x2+x+1dx−∫∞−∞ei(mx)x2−x+1dx)=−2π√3e−√32msinm2.
⇒F(m)=−2π√3⋅⎡⎣e−√32m2(−cosm2−√3sinm2)⎤⎦=π√3⋅e−√32m(cosm2+√3sinm2).
⇒∫∞0cos(mx)x4+x2+1dx=12∫∞−∞cos(mx)x4+x2+1dx=12F(m)=π2√3⋅e−√32m(cosm2+√3sinm2)=π√3e−√32msin(m2+π6).
另解:由Fourier变换公式,我们有
e−√32m(cosm2+√3sinm2)=2π∫∞0cos(mx)dx∫∞0e−√32u(cosu2+√3sinu2)cos(ux)du=2√3π∫∞0cos(mx)x4+x2+1dx.
立得
∫∞0cos(mx)x4+x2+1dx=π2√3e−√32m(cosm2+√3sinm2)=π√3e−√32msin(m2+π6).
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