复积分求解疑问:两种方法结果不一致的问题咨询
我需要计算以下积分:
$$\int_{0}{2\pi}e{i r \cos\theta}\cos(i r \sin\theta-n\theta) d\theta$$
其中 $n$ 是正整数,$r$ 是正实数。
我尝试了两种方法,但得到了完全不同的结果,想请教大家哪里出现了错误:
第一种方法(三角恒等变换推导)
我的推导过程如下:
$$\begin{align*}
\int_{0}{2\pi}e{i r \cos\theta}\cos(i r \sin\theta-n\theta) d\theta &= \int_{0}^{2\pi} \frac{{e{ir(\frac{\pi}2+\theta)}e{-in\theta}}}{2}+\frac{{e{ir(\frac{\pi}2-\theta)}e{in\theta}}}{2} d\theta
\ &= e{ir\frac{\pi}2}\int_{0}{2\pi}\frac{{e{ir\theta}e{-in\theta}}+e{-ir\theta}e{in\theta}}{2} d\theta
\ &= e{ir\frac{\pi}2}\int_{0}{2\pi}\cos{((r-n)\theta)} d\theta
\ &=\begin{cases}
\frac{e^{ir\frac{\pi}2}}{r-n}\sin(2r\pi) &r\neq n \
2\pi e^{ir\frac{\pi}2} &r = n
\end{cases}
\end{align*}$$
第二种方法(构造复围道积分)
我尝试用围道积分的方式求解,补全后的推导过程如下:
$$\begin{align*}
\int_{0}{2\pi}e{i r \cos\theta}\cos(i r \sin\theta-n\theta) d\theta &= \text{Re}\left[ \int_{0}^{2\pi} e^{i r \cos\theta} e^{i(i r \sin\theta - n\theta)} d\theta \right]
\ &= \text{Re}\left[ \int_{0}^{2\pi} e^{i r \cos\theta - r \sin\theta - i n \theta} d\theta \right]
\ &= \text{Re}\left[ \int_{0}^{2\pi} e^{r(i \cos\theta - \sin\theta)} e^{-i n \theta} d\theta \right]
\ &= \text{Re}\left[ \int_{0}^{2\pi} e^{i r e^{i\theta}} e^{-i n \theta} d\theta \right]
\end{align*}$$
令围道 $C$ 为单位圆 $|z|=1$,设 $z = e^{i\theta}$,则 $d\theta = \frac{dz}{iz}$,$e^{i\theta} = z$,代入得:
$$\begin{align*}
\text{原积分} &= \text{Re}\left[ \int_{C} e^{i r z} z^{-n} \cdot \frac{dz}{iz} \right]
\ &= \text{Re}\left[ \frac{1}{i} \int_{C} \frac{e^{i r z}}{z^{n+1}} dz \right]
\end{align*}$$
根据柯西积分公式,对于解析函数 $f(z) = e^{i r z}$,有:
$$\int_{C} \frac{f(z)}{z^{n+1}} dz = \frac{2\pi i}{n!} f^{(n)}(0)$$
计算 $f^{(n)}(0) = (i r)^n e^{i r z} \big|_{z=0} = (i r)^n$,代入得:
$$\begin{align*}
\frac{1}{i} \cdot \frac{2\pi i}{n!} (i r)^n &= 2\pi \frac{(i r)^n}{n!}
\end{align*}$$
取实部:
$$\text{原积分} = \text{Re}\left[ 2\pi \frac{(i r)^n}{n!} \right] = 2\pi \frac{r^n}{n!} \cos\left( \frac{n\pi}{2} \right)$$
很明显两种方法的结果完全不同,我想请教各位,第一种方法的推导中哪里出现了错误?
备注:内容来源于stack exchange,提问作者EmoStu

