Integralen av $$$\frac{2 z}{- \epsilon_{k}^{2} + z^{2}}$$$ med avseende på $$$\epsilon_{k}$$$

Bestäm $$$\int \frac{2 z}{- \epsilon_{k}^{2} + z^{2}}\, d\epsilon_{k}$$$.

Tillämpa konstantfaktorregeln $$$\int c f{\left(\epsilon_{k} \right)}\, d\epsilon_{k} = c \int f{\left(\epsilon_{k} \right)}\, d\epsilon_{k}$$$ med $$$c=2 z$$$ och $$$f{\left(\epsilon_{k} \right)} = \frac{1}{- \epsilon_{k}^{2} + z^{2}}$$$:

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

Utför partialbråksuppdelning:

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

Integrera termvis:

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

Tillämpa konstantfaktorregeln $$$\int c f{\left(\epsilon_{k} \right)}\, d\epsilon_{k} = c \int f{\left(\epsilon_{k} \right)}\, d\epsilon_{k}$$$ med $$$c=\frac{1}{2 z}$$$ och $$$f{\left(\epsilon_{k} \right)} = \frac{1}{\epsilon_{k} + z}$$$:

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

Låt $$$u=\epsilon_{k} + z$$$ vara.

Då $$$du=\left(\epsilon_{k} + z\right)^{\prime }d\epsilon_{k} = 1 d\epsilon_{k}$$$ (stegen kan ses »), och vi har att $$$d\epsilon_{k} = du$$$.

Integralen kan omskrivas som

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

Integralen av $$$\frac{1}{u}$$$ är $$$\int{\frac{1}{u} d u} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)}$$$:

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

Kom ihåg att $$$u=\epsilon_{k} + z$$$:

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

Tillämpa konstantfaktorregeln $$$\int c f{\left(\epsilon_{k} \right)}\, d\epsilon_{k} = c \int f{\left(\epsilon_{k} \right)}\, d\epsilon_{k}$$$ med $$$c=\frac{1}{2 z}$$$ och $$$f{\left(\epsilon_{k} \right)} = \frac{1}{- \epsilon_{k} + z}$$$:

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

Låt $$$u=- \epsilon_{k} + z$$$ vara.

Då $$$du=\left(- \epsilon_{k} + z\right)^{\prime }d\epsilon_{k} = - d\epsilon_{k}$$$ (stegen kan ses »), och vi har att $$$d\epsilon_{k} = - du$$$.

Integralen kan omskrivas som

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

Tillämpa konstantfaktorregeln $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ med $$$c=-1$$$ och $$$f{\left(u \right)} = \frac{1}{u}$$$:

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

Integralen av $$$\frac{1}{u}$$$ är $$$\int{\frac{1}{u} d u} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)}$$$:

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

Kom ihåg att $$$u=- \epsilon_{k} + z$$$:

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

Alltså,

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

Förenkla:

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

Lägg till integrationskonstanten:

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

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