Question Number 38114 by maxmathsup by imad last updated on 21/Jun/18
$${let}\:{I}_{{n}} =\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\:\:\frac{{dx}}{\left({p}\:+{cost}\right)^{{n}} }\:\:{with}\:{p}>\mathrm{1} \\ $$$${find}\:{the}\:{value}\:{of}\:{I}_{{n}} \\ $$
Commented by abdo mathsup 649 cc last updated on 08/Jul/18
$${changement}\:\:{e}^{{it}} ={z}\:{give}\: \\ $$$${I}_{{n}} =\:\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\left({p}\:+\frac{{z}+{z}^{−\mathrm{1}} }{\mathrm{2}}\right)^{{n}} }\:\frac{{dz}}{{iz}} \\ $$$$=\:\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\:\frac{−{i}\:\mathrm{2}^{{n}} }{\left(\mathrm{2}{p}\:+{z}+{z}^{−\mathrm{1}} \right)^{{n}} }\:\frac{{dz}}{{z}} \\ $$$$=\:\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\:\:\:\:\:\:\frac{−{i}\:\mathrm{2}^{{n}} }{{z}\left\{\mathrm{2}{p}\:+{z}\:+\frac{\mathrm{1}}{{z}}\right\}^{{n}} }{dz} \\ $$$$=\:\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\:\:\:\:\frac{−{i}\mathrm{2}^{{n}} \:{z}^{{n}−\mathrm{1}} }{\left\{\mathrm{2}{pz}\:+{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right\}^{{n}} }{dz}\:\:{let} \\ $$$$\varphi\left({z}\right)\:=\:\:\frac{−{i}\:\mathrm{2}^{{n}} {z}^{{n}−\mathrm{1}} }{\left({z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{pz}\:+\mathrm{1}\right)^{{n}} }\:\:{poles}\:{of}\:\varphi? \\ $$$${z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{pz}\:+\mathrm{1}=\mathrm{0} \\ $$$$\Delta^{'} \:={p}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{1}>\mathrm{0}\:\Rightarrow\:{real}\:{roots} \\ $$$${z}_{\mathrm{1}} =−{p}\:+\sqrt{{p}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{1}\:}\:\:\:\:{and}\:{z}_{\mathrm{2}} =−{p}−\sqrt{{p}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{1}} \\ $$$${we}\:{have}\:{proved}\:{that}\:\mid{z}_{\mathrm{1}} \mid<\mathrm{1}\:\:{and}\:\mid{z}_{\mathrm{2}} \mid>\mathrm{1}\:{so} \\ $$$$\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} ^{} \:\varphi\left({z}\right){dz}\:\:=\mathrm{2}{i}\pi\:{Res}\left(\varphi,{z}_{\mathrm{1}} \right)\:\:{we}?{have} \\ $$$$\varphi\left({z}\right)\:=\:\frac{−{i}\:\mathrm{2}^{{n}} {z}^{{n}−\mathrm{1}} }{\left({z}−{z}_{\mathrm{1}} \right)^{{n}} \left({z}−{z}_{\mathrm{2}} \right)^{{n}} }\:\Rightarrow \\ $$$${Res}\left(\varphi,{z}_{\mathrm{1}} \right)\:={lim}_{{z}\rightarrow{z}_{\mathrm{1}} } \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left({n}−\mathrm{1}\right)!}\left\{\:\left({z}−{z}_{\mathrm{1}} \right)^{{n}} \:\varphi\left({z}\right)\right\}^{\left({n}−\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=−{i}\:\mathrm{2}^{{n}} \:{lim}_{{z}\rightarrow{z}_{\mathrm{1}} } \frac{\mathrm{1}}{\left({n}−\mathrm{1}\right)!}\left\{\:\:\frac{{z}^{{n}−\mathrm{1}} }{\left({z}−{z}_{\mathrm{2}} \right)^{{n}} }\right\}^{\left.\right)\left.{n}−\mathrm{1}\right)} \:\:{but} \\ $$$$\left\{\:{z}^{{n}−\mathrm{1}} \left({z}−{z}_{\mathrm{2}} \right)^{−{n}} \right\}^{\left({n}−\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\:\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}\:} \:\:\:{C}_{{n}−\mathrm{1}} ^{{k}\:} \:\:\left\{\left({z}−{z}_{\mathrm{2}} \right)^{−{n}} \right\}^{\left({k}\right)} \:\left({z}^{{n}−\mathrm{1}} \right)^{\left({n}−\mathrm{1}−{k}\right)} \\ $$$${we}\:{have} \\ $$$$\left.\left({z}−{z}_{\mathrm{2}} \right)^{−{n}} \right\}^{\left(\mathrm{1}\right)} =−{n}\left({z}−{z}_{\mathrm{2}} \right)^{−{n}−\mathrm{1}} \\ $$$$\left\{\left({z}−{z}_{\mathrm{2}} \right)^{−{n}} \right\}^{\left(\mathrm{2}\right)} =\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {n}\left({n}+\mathrm{1}\right)\left({z}−{z}_{\mathrm{2}} \right)^{−{n}−\mathrm{2}} \\ $$$$\left\{\:\left({z}−{z}_{\mathrm{2}} \right)^{−{n}} \right\}^{\left({k}\right)} =\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} {n}\left({n}+\mathrm{1}\right)…\left({n}+{k}−\mathrm{1}\right)\left({z}−{z}_{\mathrm{2}} \right)^{−{n}−{k}} \\ $$$$\boldsymbol{{also}} \\ $$$$\left(\boldsymbol{{z}}^{\boldsymbol{{n}}} \right)^{\left(\boldsymbol{{p}}\right)} =\boldsymbol{{n}}\left(\boldsymbol{{n}}−\mathrm{1}\right)…\left(\boldsymbol{{n}}−\boldsymbol{{p}}+\mathrm{1}\right)\boldsymbol{{z}}^{\boldsymbol{{n}}−\boldsymbol{{p}}} \:\:\boldsymbol{{if}}\:\boldsymbol{{p}}\leqslant{n}\Rightarrow \\ $$$$\left({z}^{{n}−\mathrm{1}} \right)^{\left({n}−\mathrm{1}−{k}\right)} =\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{2}\right)…\left({n}−\mathrm{1}−{n}+\mathrm{1}+{k}\:+\mathrm{1}\right){z}^{{n}−\mathrm{1}−{n}+\mathrm{1}+{k}} \\ $$$$=\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{2}\right)…..\left({k}+\mathrm{1}\right)\:{z}^{{k}} \\ $$$$=\frac{\left({n}−\mathrm{1}\right)!}{{k}!}\:{z}^{{k}} \:\Rightarrow \\ $$$$\left\{{z}^{{n}−\mathrm{1}} \left({z}−{z}_{\mathrm{2}} \right)^{−{n}} \right\}^{\left({n}−\mathrm{1}\right)} = \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\:{C}_{{n}−\mathrm{1}} ^{{k}} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} \:{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)…\left({n}+{k}−\mathrm{1}\right)\left({z}−{z}_{\mathrm{2}} \right)^{−{n}−{k}} \:\frac{\left({n}−\mathrm{1}\right)!}{{k}!}\:{z}^{{k}} \\ $$$${Res}\left(\varphi,{z}_{\mathrm{1}} \right)= \\ $$$$−{i}\:\mathrm{2}^{{n}} \:\:\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\:{C}_{{n}−\mathrm{1}} ^{{k}} \left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} {n}\left({n}+\mathrm{1}\right)…\left({n}+{k}−\mathrm{1}\right)\left({z}_{\mathrm{1}} −{z}_{\mathrm{2}} \right)^{−{n}−{k}} \:\frac{{z}_{\mathrm{1}} ^{{k}} }{{k}!} \\ $$$$\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \varphi\left({z}\right){dz}\:=\pi\:\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} \:{A}_{{n}} \:\:{with} \\ $$$${A}_{{n}} \:=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\:{C}_{{n}−\mathrm{1}} ^{{k}} \left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} {n}\left({n}+\mathrm{1}\right)…\left({n}+{k}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}\sqrt{{p}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{1}}\right)^{−{n}−{k}} \:\frac{\left(−{p}+\sqrt{{p}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{1}}\right)^{{k}} }{{k}!} \\ $$$$=\:{I}_{{p}} \\ $$
Commented by abdo mathsup 649 cc last updated on 08/Jul/18
$${I}_{{n}} =\:\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\varphi\left({z}\right){dz}\:=\pi\:\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} \:{A}_{{n}} \\ $$