Make the substitution:z = e i ฮธ , d z = i e i ฮธ d ฮธ . z = e^{ iฮธ} , dz = ie^{iฮธ}dฮธ. z = e i ฮธ , d z = i e i ฮธ d ฮธ . Now the complex z z z describes the unit circle C 1 C_1 C 1 โ in the positive sense as ฮธ ฮธ ฮธ varies from to 2 ฯ . 2\pi. 2 ฯ .
The integral becomes
โซ 0 2 ฯ d ฮธ 2 + sin โก ฮธ = โฎ C 1 d z i z 2 + z 2 โ 1 2 i z \displaystyle\int_{0}^{2\pi}\dfrac{d\theta}{2+\sin \theta}=\oint_{C_1}\dfrac{\dfrac{dz}{iz}}{2+\dfrac{z^2-1}{2iz}} โซ 0 2 ฯ โ 2 + sin ฮธ d ฮธ โ = โฎ C 1 โ โ 2 + 2 i z z 2 โ 1 โ i z d z โ โ
= โฎ C 1 2 d z z 2 + 4 i z โ 1 =\oint_{C_1}\dfrac{2dz}{z^2+4iz-1} = โฎ C 1 โ โ z 2 + 4 i z โ 1 2 d z โ The poles of the integrand are simple and occur when z 2 + 4 i z โ 1 = 0 z^2+4iz-1=0 z 2 + 4 i z โ 1 = 0
z ยฑ = โ 4 i ยฑ โ 16 + 4 2 = ( โ 2 ยฑ 3 ) i z_{\pm}=\dfrac{-4i\pm
\sqrt{-16+4}}{2}=(-2\pm\sqrt{3})i z ยฑ โ = 2 โ 4 i ยฑ โ 16 + 4 โ โ = ( โ 2 ยฑ 3 โ ) i
z + z โ = ( โ 2 + 3 ) i ( โ 2 โ 3 ) i = โ 1 z_+z_-=(-2+\sqrt{3})i(-2-\sqrt{3})i=-1 z + โ z โ โ = ( โ 2 + 3 โ ) i ( โ 2 โ 3 โ ) i = โ 1 Therefore, z + z_+ z + โ is a (simple) pole inside the unit circle.
Use R e s z = z 0 g ( z ) h ( z ) = g ( z 0 ) h โฒ ( z 0 ) , Res_{z=z_0}\dfrac{g(z)}{h(z)}=\dfrac{g(z_0)}{h'(z_0)}, R e s z = z 0 โ โ h ( z ) g ( z ) โ = h โฒ ( z 0 โ ) g ( z 0 โ ) โ , where z 0 z_0 z 0 โ is a simple zero of h ( z ) . h(z). h ( z ) .
Then
R e s ( z + ) = 2 2 z + + 4 i = 1 โ 2 i + 3 i + 2 i = 1 3 i Res(z_+)=\dfrac{2}{2z_{+}+4i}=\dfrac{1}{-2i+\sqrt{3}i+2i}=\dfrac{1}{\sqrt{3}i} R es ( z + โ ) = 2 z + โ + 4 i 2 โ = โ 2 i + 3 โ i + 2 i 1 โ = 3 โ i 1 โ Thus, by the residue theorem,
โซ 0 2 ฯ d ฮธ 2 + sin โก ฮธ = 2 ฯ i ( 1 3 i ) = 2 ฯ 3 \displaystyle\int_{0}^{2\pi}\dfrac{d\theta}{2+\sin \theta}=2\pi i(\dfrac{1}{\sqrt{3}i})=\dfrac{2\pi}{\sqrt{3}} โซ 0 2 ฯ โ 2 + sin ฮธ d ฮธ โ = 2 ฯi ( 3 โ i 1 โ ) = 3 โ 2 ฯ โ
Comments