$$$\frac{2 z}{- \epsilon_{k}^{2} + z^{2}}$$$ の $$$\epsilon_{k}$$$ に関する積分

$$$\int \frac{2 z}{- \epsilon_{k}^{2} + z^{2}}\, d\epsilon_{k}$$$ を求めよ。

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(\epsilon_{k} \right)}\, d\epsilon_{k} = c \int f{\left(\epsilon_{k} \right)}\, d\epsilon_{k}$$$ を、$$$c=2 z$$$ と $$$f{\left(\epsilon_{k} \right)} = \frac{1}{- \epsilon_{k}^{2} + z^{2}}$$$ に対して適用する:

$${\color{red}{\int{\frac{2 z}{- \epsilon_{k}^{2} + z^{2}} d \epsilon_{k}}}} = {\color{red}{\left(2 z \int{\frac{1}{- \epsilon_{k}^{2} + z^{2}} d \epsilon_{k}}\right)}}$$

部分分数分解を行う:

$$2 z {\color{red}{\int{\frac{1}{- \epsilon_{k}^{2} + z^{2}} d \epsilon_{k}}}} = 2 z {\color{red}{\int{\left(\frac{1}{2 z \left(\epsilon_{k} + z\right)} + \frac{1}{2 z \left(- \epsilon_{k} + z\right)}\right)d \epsilon_{k}}}}$$

項別に積分せよ:

$$2 z {\color{red}{\int{\left(\frac{1}{2 z \left(\epsilon_{k} + z\right)} + \frac{1}{2 z \left(- \epsilon_{k} + z\right)}\right)d \epsilon_{k}}}} = 2 z {\color{red}{\left(\int{\frac{1}{2 z \left(- \epsilon_{k} + z\right)} d \epsilon_{k}} + \int{\frac{1}{2 z \left(\epsilon_{k} + z\right)} d \epsilon_{k}}\right)}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(\epsilon_{k} \right)}\, d\epsilon_{k} = c \int f{\left(\epsilon_{k} \right)}\, d\epsilon_{k}$$$ を、$$$c=\frac{1}{2 z}$$$ と $$$f{\left(\epsilon_{k} \right)} = \frac{1}{\epsilon_{k} + z}$$$ に対して適用する:

$$2 z \left(\int{\frac{1}{2 z \left(- \epsilon_{k} + z\right)} d \epsilon_{k}} + {\color{red}{\int{\frac{1}{2 z \left(\epsilon_{k} + z\right)} d \epsilon_{k}}}}\right) = 2 z \left(\int{\frac{1}{2 z \left(- \epsilon_{k} + z\right)} d \epsilon_{k}} + {\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{1}{\epsilon_{k} + z} d \epsilon_{k}}}{2 z}\right)}}\right)$$

$$$u=\epsilon_{k} + z$$$ とする。

すると $$$du=\left(\epsilon_{k} + z\right)^{\prime }d\epsilon_{k} = 1 d\epsilon_{k}$$$（手順は»で確認できます）、$$$d\epsilon_{k} = du$$$ となります。

したがって、

$$2 z \left(\int{\frac{1}{2 z \left(- \epsilon_{k} + z\right)} d \epsilon_{k}} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{\epsilon_{k} + z} d \epsilon_{k}}}}}{2 z}\right) = 2 z \left(\int{\frac{1}{2 z \left(- \epsilon_{k} + z\right)} d \epsilon_{k}} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2 z}\right)$$

$$$\frac{1}{u}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{u} d u} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)}$$$ です:

$$2 z \left(\int{\frac{1}{2 z \left(- \epsilon_{k} + z\right)} d \epsilon_{k}} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2 z}\right) = 2 z \left(\int{\frac{1}{2 z \left(- \epsilon_{k} + z\right)} d \epsilon_{k}} + \frac{{\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}}{2 z}\right)$$

次のことを思い出してください $$$u=\epsilon_{k} + z$$$:

$$2 z \left(\int{\frac{1}{2 z \left(- \epsilon_{k} + z\right)} d \epsilon_{k}} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)}}{2 z}\right) = 2 z \left(\int{\frac{1}{2 z \left(- \epsilon_{k} + z\right)} d \epsilon_{k}} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(\epsilon_{k} + z\right)}}}\right| \right)}}{2 z}\right)$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(\epsilon_{k} \right)}\, d\epsilon_{k} = c \int f{\left(\epsilon_{k} \right)}\, d\epsilon_{k}$$$ を、$$$c=\frac{1}{2 z}$$$ と $$$f{\left(\epsilon_{k} \right)} = \frac{1}{- \epsilon_{k} + z}$$$ に対して適用する:

$$2 z \left({\color{red}{\int{\frac{1}{2 z \left(- \epsilon_{k} + z\right)} d \epsilon_{k}}}} + \frac{\ln{\left(\left|{\epsilon_{k} + z}\right| \right)}}{2 z}\right) = 2 z \left({\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{1}{- \epsilon_{k} + z} d \epsilon_{k}}}{2 z}\right)}} + \frac{\ln{\left(\left|{\epsilon_{k} + z}\right| \right)}}{2 z}\right)$$

$$$u=- \epsilon_{k} + z$$$ とする。

すると $$$du=\left(- \epsilon_{k} + z\right)^{\prime }d\epsilon_{k} = - d\epsilon_{k}$$$（手順は»で確認できます）、$$$d\epsilon_{k} = - du$$$ となります。

したがって、

$$2 z \left(\frac{\ln{\left(\left|{\epsilon_{k} + z}\right| \right)}}{2 z} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{- \epsilon_{k} + z} d \epsilon_{k}}}}}{2 z}\right) = 2 z \left(\frac{\ln{\left(\left|{\epsilon_{k} + z}\right| \right)}}{2 z} + \frac{{\color{red}{\int{\left(- \frac{1}{u}\right)d u}}}}{2 z}\right)$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=-1$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \frac{1}{u}$$$ に対して適用する:

$$2 z \left(\frac{\ln{\left(\left|{\epsilon_{k} + z}\right| \right)}}{2 z} + \frac{{\color{red}{\int{\left(- \frac{1}{u}\right)d u}}}}{2 z}\right) = 2 z \left(\frac{\ln{\left(\left|{\epsilon_{k} + z}\right| \right)}}{2 z} + \frac{{\color{red}{\left(- \int{\frac{1}{u} d u}\right)}}}{2 z}\right)$$

$$$\frac{1}{u}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{u} d u} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)}$$$ です:

$$2 z \left(\frac{\ln{\left(\left|{\epsilon_{k} + z}\right| \right)}}{2 z} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2 z}\right) = 2 z \left(\frac{\ln{\left(\left|{\epsilon_{k} + z}\right| \right)}}{2 z} - \frac{{\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}}{2 z}\right)$$

次のことを思い出してください $$$u=- \epsilon_{k} + z$$$:

$$2 z \left(\frac{\ln{\left(\left|{\epsilon_{k} + z}\right| \right)}}{2 z} - \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)}}{2 z}\right) = 2 z \left(\frac{\ln{\left(\left|{\epsilon_{k} + z}\right| \right)}}{2 z} - \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(- \epsilon_{k} + z\right)}}}\right| \right)}}{2 z}\right)$$

したがって、

$$\int{\frac{2 z}{- \epsilon_{k}^{2} + z^{2}} d \epsilon_{k}} = 2 z \left(- \frac{\ln{\left(\left|{\epsilon_{k} - z}\right| \right)}}{2 z} + \frac{\ln{\left(\left|{\epsilon_{k} + z}\right| \right)}}{2 z}\right)$$

簡単化せよ:

$$\int{\frac{2 z}{- \epsilon_{k}^{2} + z^{2}} d \epsilon_{k}} = - \ln{\left(\left|{\epsilon_{k} - z}\right| \right)} + \ln{\left(\left|{\epsilon_{k} + z}\right| \right)}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{2 z}{- \epsilon_{k}^{2} + z^{2}} d \epsilon_{k}} = - \ln{\left(\left|{\epsilon_{k} - z}\right| \right)} + \ln{\left(\left|{\epsilon_{k} + z}\right| \right)}+C$$

$$$\int \frac{2 z}{- \epsilon_{k}^{2} + z^{2}}\, d\epsilon_{k} = \left(- \ln\left(\left|{\epsilon_{k} - z}\right|\right) + \ln\left(\left|{\epsilon_{k} + z}\right|\right)\right) + C$$$A