Analyse complexe - calcul d'une intégrale

Bonjour.
J'aimerais calculer l'intégrale suivante :
$$I = \int_{C(0,R)}\frac{z^2}{z^3+1}\mathrm{d} z,
$$ où $C(0,R)$ désigne le cercle de centre l'origine et de rayon $R>1$.

Avec le théorème des résidus on trouve $I = 2i\pi$ (enfin je crois !).
J'ai voulu faire autrement en utilisant une primitive de $f(z):=\dfrac{z^2}{z^3+1}$.
Je découpe le cercle en deux demi-cercles : $\alpha_R$ de $-iR$ à $iR$ et $\beta_R$ de $iR$ à $-iR$.
On a alors $I = \int_{\alpha_R}f(z)\mathrm{d} z + \int_{\beta_R}f(z)\mathrm{d} z =I_{1} + I_2$.

Sur $\alpha_R$, j'utilise la détermination principale de logarithme $\ln(z) = \ln|z| + \arg(z),$ avec $\arg(z) \in \,]-\pi,\pi[$.
J'obtiens : $I_1 = \frac{1}{3}\left[\ln((iR)^3+1) - \ln((-iR)^3+1)\right] = \frac{1}{3}\left[\ln(1-iR^3) - \ln(1+iR^3)\right] =
\frac{1}{3}\left[\ln(\sqrt{1+R^6} -i \theta) -\ln(1+R^6) - i\theta \right],$ où $\theta$ désigne l'argument de $1+iR^3$ appartenant à $]-\pi,\pi[$. On a alors $I_1 = -\frac{2}{3}i\theta$.

Sur $\beta_R$, j'utilise la détermination du logarithme $\ln(z) = \ln|z| + \arg(z)$ avec $\arg(z) \in \,]-2\pi,0[$.
J'obtiens : $I_2 = \frac{1}{3}\left[\ln(1+iR^3) - \ln(1-iR^3)\right] = \frac{1}{3}\left[\ln(\sqrt{1+R^6} + i \beta) - \ln(1+R^6) - i\alpha \right],$ où $\beta$ désigne l'argument de $1+iR^3$ appartenant à $]-2\pi,0[$ et $\alpha$ désigne l'argument de $1-iR^3$ appartenant à $]-2\pi,0[$. On a alors $I_2 = \frac{1}{3}i(\beta-\alpha)$.

Compte tenu de $\alpha = -\theta$ et $\alpha+\beta=-2\pi$, on a alors $I = I_1+I_2 = -\frac{2}{3}i\theta$.
Où est mon erreur ? Ne peut-on pas utiliser deux déterminations du logarithme différentes ?

Réponses

  • pourquoi ne pas avoir pris $R$ et $-R$ pour partager ton cercle?
    A demon  wind propelled me east of the sun
  • Bonjour,

    Je me demande si tu peux, dans un même calcul, utiliser différentes détermination du logarithme.
  • Bonjour
    tu ne peux pas "traverser" l'axe des réels négatifs pour avoir
    une seule détermination du log. D'où ton erreur.

    Mais alors tu fais ton calcul non pas sur le cercle entier mais sur l'arc de cercle

    qui va des point d'arguments $]-\pi+\epsilon[$ à $]\pi-\epsilon[$ et tu fais tendre
    $ \epsilon$ vers 0.
     
  • Je ne comprends pas. Je n'utilise pas une seule détermination du logarithme justement.
  • Et bien justement pour cela que c'est faux.
     
  • Bonjour,

    $\ln {-1\over -1}=\ln 1=0$.

    Puis tu écris $\ln{-1\over -1}=\ln(-1)-\ln(-1).$

    Si pour $-1$ tu utilises la détermination $[0,2\pi[$, tu trouves $-1=e^{i \pi}.$
    Si pour $-1$ tu utilises la détermination $[-\pi,\pi[$, tu trouves $-1=e^{-i \pi}.$

    Et donc $0=i\pi -(-i \pi)=2 i \pi.$

    Il faut garder la même détermination dans tout le calcul, sinon on peut obtenir des résultats faux.
  • OK super j'ai compris !
  • Finalement je reviens sur mon calcul d'intégrale. J'ai utilisé le contour que vous m'avez conseillé. J'obtiens 2ipi/3 au lieu de 2ipi.
    Lorsque epsilon tend vers 0, l'argument du nombre z_{epsilon} va tendre vers pi donc l'argument de z_{epsilon}^3 et donc z_{epsilon}^3+1 vers 3pi mais comme on utilise la détermination principale du logarithme, l'argument de z_{epsilon}^3+1 va tendre vers pi ???121726
    121728
  • Oui c'est plus compliqué. En effet ce n'est pas tout à fait z qui ne doit pas franchir $\R_-$ mais c'est
    $1+z ^3$ (puisque le $\log$ qui est considéré c'est celui de $1+z^3.$)

    Ce qui revient à couper l'intégrale en 3 morceaux pour $z\in ]-\pi+\epsilon,- \pi+2\pi/3 - \epsilon[ ,\ldots $

    Normalement ça devrait marcher.
     
  • Bonsoir, le calcul de résidus est correct. Pour utiliser une détermination du logarithme de $1+z^3$, tu dois couper suivant une demi-droite issue de -1, (ou bien d'un autre zéro de $1+z^3$) par exemple $ [-1;\; +\infty$ [ et entourer la coupure comme indiqué sur le mauvais schéma géogébra joint, les points B et C étant à une distance $\epsilon$ de l'axe des abscisses. Bon, l'idée a déjà été donnée mais je pense en fait que cela ne répond pas à la question car tu perds un pôle.121736
    A demon  wind propelled me east of the sun
  • Est-ce qu'on ne va pas avoir le même problème pour le morceau entre $-\pi+\epsilon$ et $- \pi+\pi/3$ ?
    Lorsque $z$ est dans cet arc de cercle, $z^3+1$ va traverser $\mathbb{R}^-$ ?

    bd2017 écrivait : http://www.les-mathematiques.net/phorum/read.php?4,2239146,2240080#msg-2240080
    [Inutile de recopier l'avant-dernier message. Un lien suffit. AD]
  • Non pas du tout. Mais il faut corriger mon erreur il faut ajouter $2\pi/3$ à $-\pi$ (et non pas $\pi/3$).

    Quand $\theta=\arg(z) = -\pi + \epsilon$ l'argument de $1+z^3$ est proche de $-\pi$
    $\theta=\arg(z) = -\pi+3\pi/2 - \epsilon$ l'argument de $1+z^3$ est proche de $+\pi$
     
  • Bonjour
    je signale que l'intégrale $\ \displaystyle I = \int_{-R}^{+R}\frac{x^2dx}{1+x^3}\ $ est convergente et donne un résultat réel positif.

    Avec $R > 1$ l'intervalle d'intégration comporte une discontinuité du premier ordre pour $x = - 1.$
    mais nous allons voir avec les limites que cette discontinuité importe peu.
    $\displaystyle I = \lim_{t\to0}\int_{-R}^{-1- t}\frac{x^2.dx}{1+x^3} +\int_{-1 + t}^R\frac{x^2dx}{1+ x^3}$ soit :
    $\displaystyle I = \lim_{t\to0}\tfrac{1}{3}\ln|1+x^3|,$ à calculer de $- R$ à $- 1 - t
    +\lim\limits_{t\to0}\frac{1}{3}\ln|1+x^3|,$ à calculer de $- 1 + t$ à $R.$
    Soit $\dfrac{1}{3}\ln\dfrac{R^3 + 1}{R^3 - 1}$ + limite pour $t \to 0$ de $\dfrac{1}{3}\ln\Big|\dfrac{-3t}{3t}\Big|$ (cette dernière limite est nulle).
    $$
    I = \frac{1}{3}\ln\frac{R^3 + 1}{R^3 - 1}.

    $$ Cordialement.
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