Calcul intégral et résidus

llorteLEG
Modifié (March 2023) dans Analyse
Bonjour, je bloque sur un calcul de résidus.
On cherche à calculer l’intégrale suivante : $$\boxed{I = \int_0^{\infty} \frac{\ln(x)dx}{\cosh(x) + \cos(\varphi)}},$$ avec $|\varphi| < \pi$.
On considérera $\varphi \in [0, \pi[$ puisque $I$ est paire en $\varphi$.
On va passer à l’analyse complexe. On prend le logarithme défini dans la branche $]-\pi/2, 3\pi/2[$, vérifiant $\boxed{\ln(re^{i\theta}) = \ln(r) + i \theta}$.
Cela implique que si $x > 0$ on a :
$\ln(-x) = \ln(xe^{i \pi}) = \ln(x) + i\pi$  et $\ln(ix) = \ln(x) + i \pi/2$.
On pose : $$\boxed{J = \int_{-\infty}^{\infty}  \frac{\ln(x)dx}{\cosh(x) + \cos(\varphi)}}.$$
Alors $\displaystyle J = I + \int_{-\infty}^0 \dfrac{\ln(x)dx}{\cosh(x) + \cos(\varphi)} = I + \int_{0}^{\infty} \dfrac{\ln(x) + i\pi }{\cosh(x) + \cos(\varphi)}dx = 2I + i\pi K$, avec $$\boxed{K = \int_0^{\infty} \frac{1}{\cosh(x) + \cos(\varphi)}dx}.$$
Et donc $$\boxed{I = \frac{J - i \pi K}{2}}.$$

Partie 1 : Calcul de K
On pose $u = e^x$ ce qui donne $dx = du/u$
Et $K = \int_1^{\infty} \frac{1}{u} \frac{u}{u^2 + 2 u \cos(\varphi) + 1}du =  2 \int_1^{\infty} \frac{1}{(u + \cos(\varphi))^2 + \sin^2(\varphi)}du$
Soit $K = \frac{2}{\sin(\varphi)}(\pi/2 - \arctan(\frac{1+\cos(\varphi)}{\sin(\varphi)}))$
Et $K = \frac{2}{\sin(\varphi)}\arctan(\frac{2\sin(\varphi/2)\cos(\varphi/2)}{2\cos^2(\varphi/2)})$
Et enfin $$\boxed{K = \frac{ \varphi}{\sin(\varphi)}}.$$
Partie 2 : Une intégrale de contour
On cherche à évaluer l'intégrale : $$Z = \int_{\gamma} \frac{\ln(z)}{\cosh(z) + \cos(\varphi)}dz,$$ où $\gamma$ est le chemin suivant 
1) Ligne droite de $-R$ à $-r$  (où $r < R$)
2) Arc de cercle dans le sens anti-trigo de centre $O$ qui lie le point $-r$ à $r$
3) Ligne droite de $r$ à $R$
4) Arc de cercle dans le sens trigo de centre $O$ qui lie le point $R$ à $-R$

Je ne vais pas écrire ici que les intégrales sur 2 et 4 tendent vers 0 quand $R \to \infty$ et $r \to 0$ mais normalement c'est ok
La somme des intégrales 1 + 2 converge vers $J$
Ainsi, $Z$ converge vers $J$ lorsque l'on fait tendre $r$ vers $0$ et $R$ vers $+\infty$
On va chercher tous les pôles de $f(z)$ où $f(z) =  \dfrac{\ln(z)}{\cosh(z) + \cos(\varphi)}$ qui seront à l'intérieur de $\gamma$ pour $R$ assez grands. Ce sont donc les pôles de partie imaginaire strictement positive. Ce sont des pôles simples pour $\varphi > 0$
On résout l'équation $\cosh(z) + \cos(\varphi)= 0$ ce qui donne $e^{2z} + 2 \cos(\varphi)e^z + 1 = 0$ et donc $e^z = e^{i(\pi - \varphi)}$ ou $e^z = e^{-i(\pi - \varphi)}$
Les racines de partie imaginaire strictement positives sont donc 
1) Les $z_k = i\varphi + (2k+1)i\pi$, où $k \geq 0$
2) Les $w_k =  -i\varphi + (2k+1)i\pi$, où $k \geq 0$.
On vérifie aussi que $z_k \neq w_l$ pour tous entiers $k,l$
Résidus : (Il faut donc avoir $\varphi \neq 0$ pour avoir des pôles d'ordre 1)
\begin{align*}Res_{z_k}(f)  &= \frac{\ln(\varphi +   (2k+1)\pi) + i \pi/2}{i \sin(\varphi + (2k+1)\pi)} = -\frac{\ln(\varphi +  (2k+1)\pi) + i \pi/2}{i \sin(\varphi)}\\
Res_{w_k}(f)  &= \frac{\ln(-\varphi +  (2k+1)\pi) + i \pi/2}{i \sin(\varphi)}\end{align*}
Alors, en faisant fi de la convergence on a $\boxed{Z \to J}$ quand $R \to \infty$ et $r \to \infty,$ avec
$$J = \frac{2 \pi}{\sin(\varphi)}\sum_{k \geq 1}  \ln\left( \frac{-\varphi + (2k+1)\pi}{\varphi + (2k+1)\pi}\right).$$
Mais là je m'attendais à ce que $J$ ait une partie imaginaire pure égale à $\ \pi K = \dfrac{\pi \varphi}{\sin(\varphi)}.$
Normalement $K$ est ok mais y a un problème dans mon calcul de résidus...
Où est mon erreur ?

Réponses

  • bd2017
    Modifié (March 2023)
    Bonjour
    Pour voir l'erreur il faudrait que je regarde de plus près .  J'ai tout de même vérifié les résidus.
    J'ai d'abord une  question ta série,  est-elle convergente?  Par exemple avec $\varphi=0$ cela diverge.
    Sinon est ce que les  limites des intégrales sur les demi-cercles sont vraiment nulles ?  Car le terme qui te manque peut venir de là.
     
  • llorteLEG
    Modifié (March 2023)
    Oublions $\varphi = 0$ je passerai à la limite quand tout sera fini.
    Je pense que les 2 intégrales tendent vraiment vers 0.
    Pour la partie sur $r$
    $\displaystyle \int \frac{\ln(r) + it}{\cosh(re^{it}) + \cos(\varphi)}re^{it}dt = r \ln(r) \int \frac{e^{it}}{\cosh(re^{it}) + \cos(\varphi)}dt +  r  \int \frac{ite^{it}}{\cosh(re^{it}) + \cos(\varphi)}dt$.
    Et normalement y a pas de problème vu que les 2 intégrales sont bornées au voisinage de 0.
    Pour la partie en $R$ c'est un peu plus pénible mais il faut voir que $|\cosh(Re^{it})|^2 = \cos^2(R \sin(t)) \cosh^2(R \cos(t)) + \sin^2(R \sin(t)) \sinh^2(R \cos(t)))$ et ce morceau tend vraiment très vite vers l'infini...
  • Bonjour,

    De tête je trouve une erreur dans les résidus : $ i \varphi +(2 k-1) \pi$ et $- i \varphi +(2 k+1) \pi$ : à vérifier le signe $-$ dans $2k-1.$
  • bd2017
    Modifié (March 2023)
    Oui je viens aussi de déceler à peu près où est l'erreur.
    J'ai pris un résidu au hasard et   cela  donne  $-i \sqrt{2} \log \left(\frac{3 i \pi }{4}\right)\approx  2.22144+ -1.21205 i$  c'est ni réel, ni imaginaire pure.
    Il faut gérer de nouveau la somme...ton terme manquant est là quelque part.
     
  • llorteLEG
    Modifié (March 2023)
    Ben après ça change rien les racines sont de type $$i(\varphi + (2k+1)\pi)\qquad\text{et}\qquad i(-\varphi + (2k+1)\pi)$$  et ensuite faut chercher $k$ de sorte que la partie imaginaire soit $>0$  Le 2k-1 n'apporterait pas grand chose..
    @bd2017 tu prends quel résidu et pour quel $\varphi$ ?
  • bd2017
    Modifié (March 2023)
    Par exemple $\varphi=\pi/4$  et $w_0= -i \sqrt{2} \log \left(\frac{3 i \pi }{4}\right)\approx 2.22144 - 1.21205 i$
    Pour $z_0$  je trouve $i \sqrt{2} \log \left(\frac{5 i \pi }{4}\right) \approx -2.22144 + 1.93447 i$
    Tu peux voir que les parties réelles disparaissent mais il y a peut-être un décalage qui fait qu'il va te rester quelque chose. Il faut vraiment voir en détail, ça devrait pouvoir se  corriger.
     
  • bd2017
    Modifié (March 2023)
    Bonjour
    C'est troublant ton problème. Quant tu prends une valeur de R qui contient un nombre pair de résidus  (c'est-à-dire que les pôles qui sont dans le contour sont $z_k, w_k, k=0,\dots,n$)  la partie imaginaire disparait. Si tu augmentes un peu R mais pas trop de façon à avoir un  nombre impair de pôles dans le contour (i.e  dans le contour tu as  $z_k, w_k, k=0,\dots,n$  et $z_{n+1}$  en plus)  tu as une partie imaginaire qui par ailleurs est toujours la même.  Il se pourrait que ce terme soit exactement le terme qui te manque.
    Cela veut peut-être dire qu'il  faut  faire un choix de $R$  sous la forme $R=R_n$  de sorte qu'on ait un nombre impair de pôles dans le contour. 
    Cela signifie aussi que l'intégrale sur le contour $R$  a peu de chance d'avoir un comportement uniforme. En particulier, dire que cette intégrale tend vers 0 quand R tend vers l'infini, n'est sûrement pas correct.   
    L'autre possibilité c'est d'avoir un nombre pair de pôles dans le contour,  mais alors l'intégrale sur le demi-disque de rayon R  aurait une limite mais non nulle. Bref tout cela demande à être regardé de plus près. 
    Il y a un autre problème important la somme des résidus ne semble pas converger. Je pense que l'intégrale sur le demi-disque de rayon R  ne tend pas vers 0. 
    Finalement, je me demande si le choix de ce  contour va permettre d'aboutir. 
     
  • YvesM
    Modifié (March 2023)
    Bonjour
    Essayer un contour rectangulaire $-R,+R$ sur l’axe réel et d’une hauteur bien choisie. 
  • @bd2017 je pense que tu as raison et que ça vient de là, je me suis trompé dans ma limite. 

    Ok changeons de contour. J'imagine qu'il faut prendre $h_n = 2i \pi n$ de sorte que $cosh(x + 2i\pi n) = cosh(x)$
    Mais il restera à estimer 

    $\int_{-R}^R \frac{ln(x +  2in\pi)}{cosh(x) + cos(a)}dx$

    Et le numérateur me gêne...
  • YvesM
    Modifié (March 2023)
    Bonjour,

    Je trouve $\displaystyle I=\int_0^{\infty} {\ln x\over \cosh x+\cos \varphi} dx={2\over \sin \varphi} \sum_{k\geq 1} (-1)^k {\sin (k \varphi)\over k} (\gamma+\ln k)$ avec $0<\varphi<\pi.$

    Si tu confirmes le résultat je donnerai des indications, le connais-tu ?
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