42  Dal Kesimi Boyunca İntegrasyon

Bazı integrallerde yol, integrandın dal kesimi boyunca uzanır. İlk bakışta bu bir engeldir; oysa asıl fırsat buradadır: kesimin iki yakasında fonksiyon farklı değerler aldığından, aynı reel integral iki farklı katsayıyla çıkar ve denklem çözülerek integral elde edilir.

42.1 Yöntemin Kurulumu

\(0 < a < 1\) ve \(x > 0\) olmak üzere

\[\int_0^{\infty} \frac{x^{-a}}{x+1}\,dx \tag{1}\]

integralini hesaplayacağız. Burada \(x^{-a}\), esas değeri gösterir: \(x^{-a} = \exp(-a\ln x)\). Bu integral, gama fonksiyonu kuramında merkezî bir rol oynar.

Notİki yönden birden has olmayan

\((1)\) integrali yalnızca üst sınırı yüzünden değil, integrandın \(x = 0\)’da sonsuz süreksizliğe sahip olması nedeniyle de has olmayandır. \(0 < a < 1\) iken integrand, \(x \to 0\) civarında \(x^{-a}\) gibi, \(x \to \infty\) iken \(x^{-a-1}\) gibi davranır; her iki uçta da yakınsaklık sağlanır. Yakınsaklığı ayrıca kanıtlamaya gerek yoktur — hesabın kendisi bunu üretecektir.

Çok değerli \(\dfrac{z^{-a}}{z+1}\) fonksiyonunun, dal kesimi \(\arg z = 0\) olan dalını alalım:

\[f(z) = \frac{z^{-a}}{z+1} \qquad \big(|z| > 0,\ 0 < \arg z < 2\pi\big) \tag{2}\]

İntegrasyon yolu bir kesik halkadır: \(\rho < 1 < R\) olmak üzere, kesimin üst yakası boyunca \(\rho\)’dan \(R\)’ye gidilir, dış çember \(C_R\) üzerinde tam tur atılır, kesimin alt yakası boyunca \(R\)’den \(\rho\)’ya dönülür ve iç çember \(C_\rho\) üzerinden başlangıca varılır. Tek tekil nokta \(z = -1\) bu yolun içindedir.

Re Im z = −1 θ = π CR Cρ üst yaka: θ = 0 alt yaka: θ = 2π dal kesimi
Kesik halka: dal kesimi pozitif reel eksendir. Yol, kesimin üst yakasında ρ'dan R'ye gider, CR üzerinde saat yönünün tersine tam tur atar, alt yakada geri döner ve Cρ üzerinde saat yönünde başlangıca varır. Üst yakada θ = 0 ile za = ra, alt yakada θ = 2π ile za = raei2aπ'dır; tek kutup z = −1 halkanın içindedir.

42.2 İki Yakanın Farkı

\(z = re^{i\theta}\) için

\[f(z) = \frac{\exp(-a\log z)}{z+1} = \frac{\exp\big[-a(\ln r + i\theta)\big]}{re^{i\theta} + 1}\]

Üst yaka (\(\theta = 0\)):

\[f(z) = \frac{\exp\big[-a\ln r\big]}{r+1} = \frac{r^{-a}}{r+1}\]

Alt yaka (\(\theta = 2\pi\)):

\[f(z) = \frac{\exp\big[-a(\ln r + i2\pi)\big]}{r+1} = \frac{r^{-a}e^{-i2a\pi}}{r+1}\]

Aynı \(r\) değeri için iki yakadaki değerler \(e^{-i2a\pi}\) çarpanı kadar farklıdır — yöntemin çalışmasını sağlayan tam olarak budur.

42.3 Rezidü Teoreminin Uygulanması

Yol boyunca Cauchy rezidü teoremi uygulanırsa (alt yaka ters yönde katedildiğinden işaret eksidir):

\[\int_\rho^R \frac{r^{-a}}{r+1}\,dr + \int_{C_R} f(z)\,dz - \int_\rho^R \frac{r^{-a}e^{-i2a\pi}}{r+1}\,dr + \int_{C_\rho} f(z)\,dz = 2\pi i \operatorname*{Rez}_{z = -1} f(z) \tag{3}\]

Rezidü. \(f(z) = \dfrac{\varphi(z)}{z + 1}\) yazalım; \(\varphi(z) = z^{-a} = \exp\big[-a(\ln r + i\theta)\big]\) fonksiyonu \(z = -1\) noktasında (\(r = 1\), \(\theta = \pi\)) analitiktir ve

\[\varphi(-1) = \exp\big[-a(\ln 1 + i\pi)\big] = e^{-ia\pi} \neq 0\]

Demek ki \(z = -1\) bir basit kutuptur ve

\[\operatorname*{Rez}_{z=-1} f(z) = e^{-ia\pi}\]

\((3)\) eşitliği düzenlenirse:

\[\big(1 - e^{-i2a\pi}\big)\int_\rho^R \frac{r^{-a}}{r+1}\,dr = 2\pi i\,e^{-ia\pi} - \int_{C_\rho} f(z)\,dz - \int_{C_R} f(z)\,dz \tag{4}\]

42.4 Çemberlerin Katkısı Sönüyor

\((2)\) tanımından, \(C_\rho\) üzerinde \(|z^{-a}| = \rho^{-a}\) ve \(|z + 1| \ge 1 - \rho\) olduğundan ML eşitsizliğiyle

\[\left|\int_{C_\rho} f(z)\,dz\right| \le \frac{\rho^{-a}}{1 - \rho}\,2\pi\rho = \frac{2\pi}{1-\rho}\,\rho^{1-a}\]

\(0 < a < 1\) olduğundan \(1 - a > 0\)’dır ve \(\rho \to 0\) iken \(\rho^{1-a} \to 0\); sınır sıfıra gider.

Benzer biçimde \(C_R\) üzerinde \(|z^{-a}| = R^{-a}\) ve \(|z+1| \ge R - 1\) ile

\[\left|\int_{C_R} f(z)\,dz\right| \le \frac{R^{-a}}{R-1}\,2\pi R = \frac{2\pi R}{R - 1}\cdot\frac{1}{R^a}\]

\(R \to \infty\) iken ilk çarpan \(2\pi\)’ye, ikincisi sıfıra gider; sınır yine sıfırdır.

42.5 Sonuç: π / sin aπ

\((4)\) eşitliğinde önce \(\rho \to 0\), sonra \(R \to \infty\) alınırsa

\[\big(1 - e^{-i2a\pi}\big)\int_0^{\infty} \frac{r^{-a}}{r+1}\,dr = 2\pi i\,e^{-ia\pi}\]

Sol taraftaki çarpanı sadeleştirmek için pay ve paydayı \(e^{ia\pi}\) ile çarpalım:

\[\int_0^{\infty} \frac{r^{-a}}{r+1}\,dr = 2\pi i\,\frac{e^{-ia\pi}}{1 - e^{-i2a\pi}}\cdot\frac{e^{ia\pi}}{e^{ia\pi}} = \pi\,\frac{2i}{e^{ia\pi} - e^{-ia\pi}}\]

Payda sinüsün üstel tanımıdır: \(e^{ia\pi} - e^{-ia\pi} = 2i\sin a\pi\). Böylece

\[\int_0^{\infty} \frac{x^{-a}}{x+1}\,dx = \frac{\pi}{\sin a\pi} \qquad (0 < a < 1) \tag{5}\]

İpucuFormülün iki denetimi

\(a = \dfrac{1}{2}\) alınırsa sağ taraf \(\dfrac{\pi}{\sin(\pi/2)} = \pi\) verir. Sol taraf ise \(x = t^2\) değişimiyle

\[\int_0^{\infty} \frac{x^{-1/2}}{x+1}\,dx = \int_0^{\infty} \frac{2\,dt}{t^2+1} = 2\cdot\frac{\pi}{2} = \pi\]

— uyuşuyor. Ayrıca \((5)\) formülü \(a \to 0^+\) ve \(a \to 1^-\) uçlarında sonsuza gider; bu da beklenendir, çünkü o uçlarda integrand sırasıyla \(\dfrac{1}{x+1}\) ve \(\dfrac{1}{x(x+1)}\) gibi davranıp integrali ıraksatır.

42.6 Alıştırma

Alıştırma 42.1 (Dal Kesimi Alıştırmaları)  

  1. \((5)\) formülünde \(a = \dfrac{1}{3}\) alarak \(\displaystyle\int_0^{\infty}\frac{dx}{x^{1/3}(x+1)}\) integralini hesaplayınız.

  2. Aynı kesik halka yoluyla

\[\int_0^{\infty} \frac{x^{-a}}{x + b}\,dx = \frac{\pi\,b^{-a}}{\sin a\pi} \qquad (0 < a < 1,\ b > 0)\]

formülünü türetiniz.

  1. \(\displaystyle\int_0^{\infty}\frac{\sqrt{x}}{x^2+1}\,dx\) integralini, \(z^{1/2}\) dalı ve aynı yol ile hesaplayınız.
Çözüm

a) \((5)\) formülünde \(a = \dfrac{1}{3}\) yazmak yeterlidir (\(0 < a < 1\) koşulu sağlanıyor):

\[\int_0^{\infty}\frac{dx}{x^{1/3}(x+1)} = \int_0^{\infty}\frac{x^{-1/3}}{x+1}\,dx = \frac{\pi}{\sin\dfrac{\pi}{3}}\]

\(\sin\dfrac{\pi}{3} = \dfrac{\sqrt3}{2}\) olduğundan

\[\int_0^{\infty}\frac{dx}{x^{1/3}(x+1)} = \frac{\pi}{\dfrac{\sqrt3}{2}} = \frac{2\pi}{\sqrt{3}}\]

b) Aynı kesik halka yolunu \(f(z) = \dfrac{z^{-a}}{z+b}\) için kuralım; dal yine \(0 < \theta < 2\pi\) olsun. Kesimin üstündeki kenarda \(z^{-a} = r^{-a}\), altındaki kenarda \(\theta = 2\pi\) olduğundan \(z^{-a} = r^{-a}e^{-i2a\pi}\)’dir. Tek tekil nokta \(z = -b\) basit kutuptur ve \(\arg(-b) = \pi\) seçilir:

\[\operatorname*{Rez}_{z=-b} \frac{z^{-a}}{z+b} = (-b)^{-a} = b^{-a}e^{-ia\pi}\]

\((3)\)\((4)\) adımlarının aynısı, yay katkıları sıfıra giderken

\[\big(1 - e^{-i2a\pi}\big)\int_0^{\infty}\frac{r^{-a}}{r+b}\,dr = 2\pi i\,b^{-a}e^{-ia\pi}\]

verir. Sol taraftaki çarpanı \(e^{-ia\pi}\) parantezine alalım:

\[1 - e^{-i2a\pi} = e^{-ia\pi}\big(e^{ia\pi} - e^{-ia\pi}\big) = e^{-ia\pi}\cdot 2i\sin a\pi\]

Yerine koyup sadeleştirelim:

\[\int_0^{\infty}\frac{x^{-a}}{x+b}\,dx = \frac{2\pi i\,b^{-a}e^{-ia\pi}}{e^{-ia\pi}\,2i\sin a\pi} = \frac{\pi\,b^{-a}}{\sin a\pi}\]

Aynı sonuç \((5)\) formülünde \(x = bt\) değişimiyle de bulunur: \(dx = b\,dt\) ve \(x + b = b(t+1)\) olduğundan

\[\int_0^{\infty}\frac{x^{-a}}{x+b}\,dx = b^{-a}\int_0^{\infty}\frac{t^{-a}}{t+1}\,dt = \frac{\pi\,b^{-a}}{\sin a\pi}\]

c) İntegrali önce \((5)\) formülüne indirgeyelim; \(u = x^2\) değişimi ile \(x = u^{1/2}\) ve \(dx = \dfrac{1}{2}u^{-1/2}du\):

\[\int_0^{\infty}\frac{\sqrt{x}}{x^2+1}\,dx = \int_0^{\infty}\frac{u^{1/4}}{u+1}\cdot\frac{u^{-1/2}}{2}\,du = \frac{1}{2}\int_0^{\infty}\frac{u^{-1/4}}{u+1}\,du\]

\((5)\) formülü \(a = \dfrac14\) ile

\[\frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{\sin\dfrac{\pi}{4}} = \frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{\dfrac{\sqrt2}{2}} = \frac{\pi}{\sqrt{2}}\]

Doğrudan yol da aynı sonucu verir. \(f(z) = \dfrac{z^{1/2}}{z^2+1}\) dalını \(0 < \theta < 2\pi\) ile alalım; tekil noktalar \(z = \pm i\)’dir ve kesik halkanın içindedir. Basit kutuplarda rezidü \(\dfrac{z^{1/2}}{2z}\) olduğundan

\[\operatorname*{Rez}_{z=i} = \frac{e^{i\pi/4}}{2i}, \qquad \operatorname*{Rez}_{z=-i} = \frac{e^{i3\pi/4}}{-2i}\]

Re Im i z1/2 = eiπ/4 −i z1/2 = ei3π/4 θ = π/2 θ = 3π/2 (−π/2 değil) kesim: θ = 0 0 < θ < 2π
0 < θ < 2π dalında açı, kesimden (pozitif reel eksen) başlayarak saat yönünün tersine ölçülür: i için θ = π/2, −i için θ = 3π/2 — esas argüman −π/2 bu dalda geçerli değildir. Bu yüzden −i noktasında z1/2 = ei3π/4 alınır; −π/2 kullanılırsa rezidünün işareti yanlış çıkar.

(İkinci noktada \(\arg(-i) = 3\pi/2\) seçilir, yani \(z^{1/2} = e^{i3\pi/4}\).) Toplam

\[\frac{e^{i\pi/4} - e^{i3\pi/4}}{2i} = \frac{\sqrt2}{2i}\]

Kesimin alt kenarında \(z^{1/2} = -x^{1/2}\) olduğundan, yön farkıyla birlikte iki kenar aynı katkıyı verir ve toplam integralin iki katı çıkar:

\[2\int_0^{\infty}\frac{\sqrt x}{x^2+1}\,dx = 2\pi i\cdot\frac{\sqrt2}{2i} = \pi\sqrt{2} \implies \int_0^{\infty}\frac{\sqrt x}{x^2+1}\,dx = \frac{\pi\sqrt2}{2} = \frac{\pi}{\sqrt2}\]

\(\blacksquare\)

Bu kısımdaki integraller hep sonsuz aralıklardaydı. Şimdi tamamen farklı bir aileye geçiyoruz: \(0\) ile \(2\pi\) arasında, sinüs ve kosinüs içeren belirli integraller — trigonometrik integraller.