Question Number 219428 by Nicholas666 last updated on 24/Apr/25

$$ \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{a}\:,\:{b},\:\in\:\mathbb{R} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\int_{\:−\infty} ^{\:\infty} \frac{\left({e}^{{iax}} −\mathrm{1}\right)\left({e}^{{ibx}} −\mathrm{1}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} }\:{dx} \\ $$$$ \\ $$
Commented by Ghisom last updated on 25/Apr/25

$$\mathrm{this}\:\mathrm{should}\:\mathrm{be}\:\mathrm{zero}\:\left(?\right) \\ $$
Answered by vnm last updated on 25/Apr/25

$${I}_{\mathrm{1}} \left({p},{q}\right)=\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{sin}{px}\mathrm{cos}{qx}}{{x}}\mathrm{d}{x}=\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{sin}\left({px}+{qx}\right)+\mathrm{sin}\left({px}−{qx}\right)\right)}{{x}}\mathrm{d}{x}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{sin}\left({p}+{q}\right){x}}{{x}}\mathrm{d}{x}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{sin}\left({p}−{q}\right){x}}{{x}}\mathrm{d}{x}= \\ $$$$\frac{\pi}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{sgn}\left({p}+{q}\right)+\mathrm{sgn}\left({p}−{q}\right)\right) \\ $$$${I}_{\mathrm{2}} \left({p}\right)=\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} {px}}{{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{d}{x}=\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}{x}}\left(−\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} {px}\mathrm{d}{x}=\mathrm{0}+\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{1}}{{x}}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}{x}}\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} {px}\mathrm{d}{x}=\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{2}{p}\mathrm{sin}{px}\mathrm{cos}{px}}{{x}}\mathrm{d}{x}={p}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{sin2}{px}}{\mathrm{2}{px}}\mathrm{d}\left(\mathrm{2}{px}\right)= \\ $$$$\pi\mid{p}\mid \\ $$$${I}_{\mathrm{3}} \left({p},{q}\right)=\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{sin}{px}\mathrm{sin}{qx}}{{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{d}{x}=\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}{x}}\left(−\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)\mathrm{sin}{px}\mathrm{sin}{qx}\mathrm{d}{x}=\mathrm{0}+\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{1}}{{x}}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}{x}}\left(\mathrm{sin}{px}\mathrm{sin}{qx}\right)\mathrm{d}{x}=\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{1}}{{x}}\left({p}\mathrm{cos}{px}\mathrm{sin}{qx}+{q}\mathrm{sin}{px}\mathrm{cos}{qx}\right)\mathrm{d}{x}= \\ $$$${p}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{sin}{qx}\mathrm{cos}{px}}{{x}}\mathrm{d}{x}+{q}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{sin}{px}\mathrm{cos}{qx}}{{x}}\mathrm{d}{x}={pI}_{\mathrm{1}} \left({q},{p}\right)+{qI}_{\mathrm{1}} \left({p},{q}\right) \\ $$$$\frac{\pi}{\mathrm{2}}\left({p}\left(\mathrm{sgn}\left({q}+{p}\right)+\mathrm{sgn}\left({q}−{p}\right)\right)+{q}\left(\mathrm{sgn}\left({p}+{q}\right)+\mathrm{sgn}\left({p}−{q}\right)\right)\right)= \\ $$$$\pi\left({p}\frac{\mathrm{sgn}\left({p}+{q}\right)−\mathrm{sgn}\left({p}−{q}\right)}{\mathrm{2}}+{q}\frac{\mathrm{sgn}\left({p}+{q}\right)+\mathrm{sgn}\left({p}−{q}\right)}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$$\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\left({e}^{{iax}} −\mathrm{1}\right)\left({e}^{{ibx}} −\mathrm{1}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{d}{x}=\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\left(\mathrm{cos}{ax}+{i}\mathrm{sin}{ax}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{cos}{bx}+{i}\mathrm{sin}{bx}−\mathrm{1}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{d}{x}= \\ $$$$\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\left(\mathrm{cos}{ax}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{cos}{bx}−\mathrm{1}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{d}{x}−{I}_{\mathrm{3}} \left({a},{b}\right)=\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\left(−\mathrm{2sin}^{\mathrm{2}} \frac{{ax}}{\mathrm{2}}\right)\left(−\mathrm{2sin}^{\mathrm{2}} \frac{{bx}}{\mathrm{2}}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{d}{x}−{I}_{\mathrm{3}} \left({a},{b}\right)=\mathrm{4}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \frac{{ax}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}−\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \frac{{bx}}{\mathrm{2}}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{d}{x}=\mathrm{4}{I}_{\mathrm{2}} \left(\frac{{a}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{4}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \frac{{ax}}{\mathrm{2}}\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \frac{{bx}}{\mathrm{2}}}{{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{d}{x}−{I}_{\mathrm{3}} \left({a},{b}\right)= \\ $$$$\mathrm{4}{I}_{\mathrm{2}} \left(\frac{{a}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{4}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\left(\mathrm{sin}\frac{{ax}}{\mathrm{2}}\mathrm{cos}\frac{{bx}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} }{{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{d}{x}−{I}_{\mathrm{3}} \left({a},{b}\right)=\mathrm{4}{I}_{\mathrm{2}} \left(\frac{{a}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{4}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{sin}\frac{\left({a}+{b}\right){x}}{\mathrm{2}}+\mathrm{sin}\frac{\left({a}−{b}\right){x}}{\mathrm{2}}\right)\right)^{\mathrm{2}} }{{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{d}{x}−{I}_{\mathrm{3}} \left({a},{b}\right)= \\ $$$$\mathrm{4}{I}_{\mathrm{2}} \left(\frac{{a}}{\mathrm{2}}\right)−\int_{−\infty} ^{+\infty} \left(\frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \frac{\left({a}+{b}\right){x}}{\mathrm{2}}}{{x}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{2}\frac{\mathrm{sin}\frac{\left({a}+{b}\right){x}}{\mathrm{2}}\mathrm{sin}\frac{\left({a}−{b}\right){x}}{\mathrm{2}}}{{x}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \frac{\left({a}−{b}\right){x}}{\mathrm{2}}}{{x}^{\mathrm{2}} }\right)\mathrm{d}{x}−{I}_{\mathrm{3}} \left({a},{b}\right)= \\ $$$$\mathrm{4}{I}_{\mathrm{2}} \left(\frac{{a}}{\mathrm{2}}\right)−{I}_{\mathrm{2}} \left(\frac{{a}+{b}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{2}{I}_{\mathrm{3}} \left(\frac{{a}+{b}}{\mathrm{2}},\frac{{a}−{b}}{\mathrm{2}}\right)−{I}_{\mathrm{2}} \left(\frac{{a}−{b}}{\mathrm{2}}\right)−{I}_{\mathrm{3}} \left({a},{b}\right) \\ $$
Answered by aleks041103 last updated on 29/Apr/25

$${f}\left({a},{b}\right)=\int_{−\infty} ^{\:\infty} \frac{\left({e}^{{iax}} −\mathrm{1}\right)\left({e}^{{ibx}} −\mathrm{1}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\Rightarrow\frac{\partial^{\mathrm{2}} {f}}{\partial{a}\partial{b}}\:=\:−\int_{−\infty} ^{\:\infty} {e}^{{i}\left({a}+{b}\right){x}} {dx}\:=\:−\mathrm{2}\pi\delta\left({a}+{b}\right) \\ $$$$\Rightarrow\frac{\partial{f}}{\partial{a}}\:=\:{f}_{\mathrm{1}} '\left({a}\right)−\mathrm{2}\pi{H}\left({a}+{b}\right) \\ $$$$\Rightarrow{f}\left({a},{b}\right)\:=\:{f}_{\mathrm{1}} \left({a}\right)+{f}_{\mathrm{2}} \left({b}\right)−\mathrm{2}\pi\left({a}+{b}\right){H}\left({a}+{b}\right) \\ $$$${f}\left({a},{b}\right)={f}\left({b},{a}\right)\:\:\:\:\left({obvious}\right) \\ $$$$\Rightarrow{f}_{\mathrm{1}} \left({a}\right)={f}_{\mathrm{2}} \left({a}\right)+{c},\:{c}\:{is}\:{just}\:{a}\:{number} \\ $$$$\Rightarrow{f}\left({a},{b}\right)={g}\left({a}\right)+{g}\left({b}\right)−\mathrm{2}\pi\left({a}+{b}\right){H}\left({a}+{b}\right) \\ $$$${f}\left({a},\mathrm{0}\right)=\mathrm{0}={g}\left({a}\right)+{g}\left(\mathrm{0}\right)−\mathrm{2}\pi{aH}\left({a}\right) \\ $$$$\Rightarrow{g}\left({a}\right)=\mathrm{2}\pi{aH}\left({a}\right)−{g}\left(\mathrm{0}\right) \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{2}{g}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{0}\Rightarrow{g}\left({a}\right)=\mathrm{2}\pi{aH}\left({a}\right) \\ $$$$\Rightarrow\int_{−\infty} ^{\:\infty} …\:=\:\mathrm{2}\pi\left(\mathrm{aH}\left(\mathrm{a}\right)+\mathrm{bH}\left(\mathrm{b}\right)−\left(\mathrm{a}+\mathrm{b}\right)\mathrm{H}\left(\mathrm{a}+\mathrm{b}\right)\right) \\ $$