Question Number 125506 by mathmax by abdo last updated on 11/Dec/20
$$\mathrm{let}\:\mathrm{C}=\left\{\mathrm{z}/\mid\mathrm{z}\mid=\mathrm{2}\right\}\:\mathrm{find}\:\int_{\mathrm{C}} \:\frac{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \mathrm{sinz}\:\mathrm{cosz}}{\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dz} \\ $$
Commented by ZiYangLee last updated on 11/Dec/20
$$\mathrm{First},\:\mathrm{we}\:\mathrm{let}\:\mathrm{the}\:\mathrm{complex}\:\mathrm{function} \\ $$$${f}\left({z}\right)=\frac{{z}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}\left({z}\right)\mathrm{cos}\left({z}\right)}{\left(\mathrm{1}+{z}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\mathrm{Noted}\:\mathrm{that}\:{f}\left({z}\right)\:\mathrm{has}\:\mathrm{two}\:\mathrm{second}\:\mathrm{polar} \\ $$$$\mathrm{poles}\:\mathrm{inside}\:\mathrm{the}\:\mathrm{circle}\:\mid{z}\mid=\mathrm{2},\: \\ $$$$\mathrm{By}\:\mathrm{Residue}\:\mathrm{Theorom},\:\mathrm{we}\:\mathrm{have} \\ $$$$\:\:\oint_{\mid{z}\mid=\mathrm{2}} \frac{{z}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}\left({z}\right)\mathrm{cos}\left({z}\right)}{\left(\mathrm{1}+{z}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\mathrm{2}\pi{i}\left\{\mathrm{R}\underset{{z}={i}} {\mathrm{e}s}{f}\left({z}\right)+\mathrm{R}\underset{{z}=−{i}} {\mathrm{e}s}\:{f}\left({z}\right)\right\} \\ $$$$=\mathrm{2}\pi{i}\left\{\underset{{z}\rightarrow{i}} {\mathrm{lim}}\left[\left({z}−{i}\right)^{\mathrm{2}} {f}\left({z}\right)\right]+\underset{{z}\rightarrow{i}} {\mathrm{lim}}\frac{{d}}{{dz}}\left[\left({z}+{i}\right)^{\mathrm{2}} {f}\left({z}\right)\right]\right\} \\ $$$$=\mathrm{2}\pi{i}\left(\frac{\mathrm{3}{e}^{\mathrm{4}} +\mathrm{1}}{\mathrm{16}{e}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{3}{e}^{\mathrm{4}} +\mathrm{1}}{\mathrm{16}{e}^{\mathrm{2}} }\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{3}{e}^{\mathrm{4}} +\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\pi{i} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 11/Dec/20
$$\mathrm{let}\:\varphi\left(\mathrm{z}\right)=\frac{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \mathrm{sinz}\:\mathrm{cosz}}{\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow\varphi\left(\mathrm{z}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\frac{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}\left(\mathrm{2z}\right)}{\left(\mathrm{z}−\mathrm{i}\right)^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{z}+\mathrm{i}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\mathrm{residus}\:\mathrm{theorem}\:\mathrm{give}\:\int_{\mathrm{C}} \varphi\left(\mathrm{z}\right)\mathrm{dz}=\mathrm{2i}\pi\left\{\mathrm{Res}\left(\varphi,\mathrm{i}\right)+\mathrm{Res}\left(\varphi,−\mathrm{i}\right)\right\} \\ $$$$\left(\mathrm{i}\:\mathrm{snd}\:−\mathrm{i}\:\mathrm{are}\:\mathrm{double}\:\mathrm{poles}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{Res}\left(\varphi,\mathrm{i}\right)=\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow\mathrm{i}} \frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}−\mathrm{1}\right)!}\left\{\left(\mathrm{z}−\mathrm{i}\right)^{\mathrm{2}} \varphi\left(\mathrm{z}\right)\right\}^{\left(\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow\mathrm{i}} \:\:\:\left\{\frac{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}\left(\mathrm{2z}\right)}{\mathrm{2}\left(\mathrm{z}+\mathrm{i}\right)^{\mathrm{2}} }\right\}^{\left(\mathrm{1}\right)} \:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow\mathrm{i}} \:\:\frac{\left(\mathrm{2zsin}\left(\mathrm{2z}\right)+\mathrm{2z}^{\mathrm{2}} \mathrm{cos}\left(\mathrm{2z}\right)\right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{i}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\left(\mathrm{z}+\mathrm{i}\right)\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}\left(\mathrm{2z}\right)}{\left(\mathrm{z}+\mathrm{i}\right)^{\mathrm{4}} } \\ $$$$=\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow\mathrm{i}} \:\:\:\:\frac{\left.\left(\mathrm{zsin}\left(\mathrm{2z}\right)+\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \mathrm{cos}\left(\mathrm{2z}\right)\right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{i}\right)−\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin2z}\right)}{\left(\mathrm{z}+\mathrm{i}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$$=\frac{\left(\mathrm{2i}\right)\left(\mathrm{isin}\left(\mathrm{2i}\right)−\mathrm{cos}\left(\mathrm{2i}\right)\right)+\mathrm{sin}\left(\mathrm{2i}\right)}{\left(\mathrm{2i}\right)^{\mathrm{3}} }\:=\frac{−\mathrm{2sin}\left(\mathrm{2i}\right)−\mathrm{2icos}\left(\mathrm{2i}\right)+\mathrm{sin}\left(\mathrm{2i}\right)}{−\mathrm{8i}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{sin}\left(\mathrm{2i}\right)+\mathrm{2icos}\left(\mathrm{2i}\right)}{\mathrm{8i}} \\ $$$$\mathrm{Res}\left(\varphi,−\mathrm{i}\right)=\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow−\mathrm{i}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}−\mathrm{1}\right)!}\left\{\left(\mathrm{z}+\mathrm{i}\right)^{\mathrm{2}} \varphi\left(\mathrm{z}\right)\right\}^{\left(\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow−\mathrm{i}} \:\:\:\left\{\:\frac{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}\left(\mathrm{2z}\right)}{\left(\mathrm{z}−\mathrm{i}\right)^{\mathrm{2}} }\right\}^{\left(\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow−\mathrm{i}} \:\:\:\frac{\left(\mathrm{2zsin}\left(\mathrm{2z}\right)+\mathrm{2z}^{\mathrm{2}} \mathrm{cos}\left(\mathrm{2z}\right)\right)\left(\mathrm{z}−\mathrm{i}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\left(\mathrm{z}−\mathrm{i}\right)\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}\left(\mathrm{2z}\right)}{\left(\mathrm{z}−\mathrm{i}\right)^{\mathrm{4}} } \\ $$$$=\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow−\mathrm{i}} \:\:\:\:\:\frac{\left(\mathrm{zsin}\left(\mathrm{2z}\right)+\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \mathrm{cos}\left(\mathrm{2z}\right)\right)\left(\mathrm{z}−\mathrm{i}\right)−\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}\left(\mathrm{2z}\right)}{\left(\mathrm{z}−\mathrm{i}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$$=\frac{\left(−\mathrm{2i}\right)\left(\mathrm{isin}\left(\mathrm{2i}\right)−\mathrm{cos}\left(\mathrm{2i}\right)\right)−\mathrm{sin}\left(\mathrm{2i}\right)}{\left(−\mathrm{2i}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$$=\frac{\left(−\mathrm{2i}\right)\left(\mathrm{isin}\left(\mathrm{2i}\right)−\mathrm{cos}\left(\mathrm{2i}\right)\right)−\mathrm{sin}\left(\mathrm{2i}\right)}{\mathrm{8i}}=\frac{\mathrm{2sin}\left(\mathrm{2i}\right)+\mathrm{2icos}\left(\mathrm{2i}\right)−\mathrm{sin}\left(\mathrm{2i}\right)}{\mathrm{8i}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{sin}\left(\mathrm{2i}\right)+\mathrm{2icos}\left(\mathrm{2i}\right)}{\mathrm{8i}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{C}} \varphi\left(\mathrm{z}\right)\mathrm{dz}\:=\mathrm{2i}\pi\left\{\frac{\mathrm{sin}\left(\mathrm{2i}\right)+\mathrm{2icos}\left(\mathrm{2i}\right)+\mathrm{sin}\left(\mathrm{2i}\right)+\mathrm{2icos}\left(\mathrm{2i}\right)}{\mathrm{8i}}\right\} \\ $$$$=\frac{\pi}{\mathrm{4}}\left(\mathrm{2sin}\left(\mathrm{2i}\right)+\mathrm{4icos}\left(\mathrm{2i}\right)\right)\:=\frac{\pi}{\mathrm{2}}\mathrm{sin}\left(\mathrm{2i}\right)+\mathrm{i}\pi\:\mathrm{cos}\left(\mathrm{2i}\right) \\ $$$$\mathrm{sinz}\:=\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{iz}} −\mathrm{e}^{−\mathrm{iz}} }{\mathrm{2i}}\:\Rightarrow\mathrm{sin}\left(\mathrm{2i}\right)=\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i}\left(\mathrm{2i}\right)} −\mathrm{e}^{−\mathrm{i}\left(\mathrm{2i}\right)} }{\mathrm{2i}}=\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{2}} −\mathrm{e}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2i}} \\ $$$$=\mathrm{ish}\left(\mathrm{2}\right) \\ $$$$\mathrm{cosz}\:=\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{iz}} +\mathrm{e}^{−\mathrm{iz}} }{\mathrm{2}}\Rightarrow\mathrm{cos}\left(\mathrm{2i}\right)=\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{2}} +\mathrm{e}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}=\mathrm{ch}\left(\mathrm{2}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\Rightarrow\int_{\mathrm{C}} \varphi\left(\mathrm{z}\right)\mathrm{dz}\:=\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{2}}\mathrm{sh}\left(\mathrm{2}\right)+\mathrm{i}\pi\mathrm{ch}\left(\mathrm{2}\right) \\ $$