Solved Problem on Contour Integration
a)
\( \displaystyle f(z)=\frac{z+2}{z} \),
along the semicircle
\( z=2\operatorname{e}^{\mathsf{i}\theta} \),
\( (0\leqslant \theta\leqslant \pi) \).
- Parameterization of the γ curve θ = t (Figure 1)
\[
\begin{gather}
z(t)=2\operatorname{e}^{\mathsf{i}t}
\end{gather}
\]
- Derivative of \( z(t)=2\operatorname{e}^{\mathsf{i}t} \)
\[
\begin{gather}
z'(t)=\frac{dz}{dt}=2\mathsf{i}\operatorname{e}^{\mathsf{i}t} \tag{I}
\end{gather}
\]
The contour integral is given by
\[
\begin{gather}
\bbox[#99CCFF,10px]
{\int f(z)\;dz=\int f(z(t))z'(t)\;dt} \tag{II}
\end{gather}
\]
- Integration of \( f(z)=\dfrac{z+2}{z} \)
\[
\begin{gather}
f(z(t))=\frac{2\operatorname{e}^{\mathsf{i}t}+2}{2\operatorname{e}^{\mathsf{i}t}} \tag{III}
\end{gather}
\]
substituting expressions (I) and (III) into expression (II)
\[
\begin{split}
\int f(z)\;dz &=\int_{0}^{\pi}\;\left(\frac{\cancel{2}\operatorname{e}^{\mathsf{i}t}+\cancel{2}}{\cancel{2}\cancel{\operatorname{e}^{\mathsf{i}t}}}\right)\left(2\mathsf{i}\cancel{\operatorname{e}^{\mathsf{i}t}}\right)\;dt=\\[5pt]
&=2\mathsf{i}\int_{0}^{\pi}\;\operatorname{e}^{\mathsf{i}t}+1\;dt=\\[5pt]
&=2\mathsf{i}\left[\int_{0}^{\pi}\;\operatorname{e}^{\mathsf{i}t}\;dt+\int_{0}^{\pi}\;dt\right]=\\[5pt]
&=2\mathsf{i}\left[\frac{1}{\mathsf{i}}\;\left.\operatorname{e}^{\mathsf{i}t}\;\right|_{0}^{\pi}+\left.t\;\right|_{0}^{\pi}\right]=\\[5pt]
&=2\mathsf{i}\left[\frac{1}{\mathsf{i}}\times\frac{\mathsf{i}}{\mathsf{i}}\;\left(\operatorname{e}^{\mathsf{i}\pi}-\operatorname{e}^{0}\right)+\left(\pi-0\right)\right]=\\[5pt]
&=2\mathsf{i}\left[\frac{\mathsf{i}}{\mathsf{i}^{2}}\;\left(\cancelto{-1}{\cos\pi} +\mathsf{i}\cancelto{0}{\sin \pi} -1\right)+\pi\right]=\\[5pt]
&=2\mathsf{i}\left[\frac{\mathsf{i}}{-1}\;\left(-1-1\right)+\pi\right]=\\[5pt]
&=2\mathsf{i}\left[-\mathsf{i}\;\left(-2\right)+\pi\right]=\\[5pt]
&=2\mathsf{i}\left[2\mathsf{i}+\pi\right]=\\[5pt]
&=4\mathsf{i}^{2}+2\pi\mathsf{i}=\\[5pt]
&=4(-1)+2\pi\mathsf{i}
\end{split}
\]
\[
\begin{gather}
\bbox[#FFCCCC,10px]
{\int_{0}^{\pi}f(z)\;dz=-4+2\pi \mathsf{i}}
\end{gather}
\]