设 C 为正向圆周 |z+1|=2,n 为正整数,则积分 oint_(C) (dz)/((z-i)^n+1) 等于( )。A. 1;B. 2pi i;C. 0;D. (1)/(2pi i)
设 $C$ 为正向圆周 $|z+1|=2$,$n$ 为正整数,则积分 $\oint_{C} \frac{dz}{(z-i)^{n+1}}$ 等于( )。 A. 1; B. $2\pi i$; C. 0; D. $\frac{1}{2\pi i}$
题目解答
答案
我们来逐步分析并求解这个复变函数的积分问题。
题目:
设 $ C $ 为正向圆周 $ |z + 1| = 2 $,$ n $ 为正整数,求积分:
$\oint_{C} \frac{dz}{(z - i)^{n+1}}$
选项为:
A. 1;
B. $ 2\pi i $;
C. 0;
D. $ \frac{1}{2\pi i} $
第一步:理解积分路径 $ C $
路径 $ C $ 是正向(即逆时针方向)的圆周,满足:
$|z + 1| = 2$
这表示以 $ -1 $ 为圆心,半径为 2 的圆。
我们可以画出这个圆的大致位置:
- 圆心:$ z = -1 $
- 半径:2
- 所以这个圆从 $ z = -3 $ 延伸到 $ z = 1 $(实轴上),虚轴方向从 $ -2i $ 到 $ 2i $
第二步:判断奇点 $ z = i $ 是否在 $ C $ 内部
被积函数是:
$f(z) = \frac{1}{(z - i)^{n+1}}$
其唯一奇点是 $ z = i $,这是一个 $ n+1 $ 阶的极点。
我们需要判断 $ z = i $ 是否在积分路径 $ C $ 所围成的区域内部。
计算 $ z = i $ 到圆心 $ z = -1 $ 的距离:
$|i - (-1)| = |i + 1| = \sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt{2} \approx 1.414 < 2$
因为距离小于半径 2,所以 $ z = i $ 在圆 $ C $ 的内部。
第三步:使用复积分的柯西积分公式或导数公式
我们回忆柯西积分公式的高阶导数形式:
若 $ f(z) $ 在闭曲线 $ C $ 及其内部解析,则对 $ C $ 内任一点 $ a $,有:
$f^{(n)}(a) = \frac{n!}{2\pi i} \oint_C \frac{f(z)}{(z - a)^{n+1}} dz$
反过来,我们可以写成:
$\oint_C \frac{f(z)}{(z - a)^{n+1}} dz = \frac{2\pi i}{n!} f^{(n)}(a)$
但在本题中,被积函数是:
$\frac{1}{(z - i)^{n+1}} = \frac{1}{(z - i)^{n+1}} \cdot 1$
即相当于 $ f(z) = 1 $,$ a = i $,积分形式为:
$\oint_C \frac{1}{(z - i)^{n+1}} dz = \oint_C \frac{f(z)}{(z - i)^{n+1}} dz \quad \text{其中 } f(z) = 1$
而常数函数 $ f(z) = 1 $ 在整个复平面上解析,当然在 $ C $ 内部及其上解析。
因此可以应用高阶导数公式:
$\oint_C \frac{1}{(z - i)^{n+1}} dz = \frac{2\pi i}{n!} f^{(n)}(i)$
但 $ f(z) = 1 $,它的任意阶导数都是 0(当 $ n \geq 1 $ 时)。
注意:这里的 $ n $ 是正整数,即 $ n \geq 1 $,所以 $ n $ 阶导数为 0。
因此:
$f^{(n)}(i) = 0 \quad \Rightarrow \quad \oint_C \frac{1}{(z - i)^{n+1}} dz = \frac{2\pi i}{n!} \cdot 0 = 0$
第四步:得出结论
所以,对于任意正整数 $ n $,该积分值为:
$\boxed{0}$
最终答案:
$\boxed{\text{C. } 0}$
补充说明:
- 当 $ n = 0 $ 时,积分变为 $ \oint_C \frac{1}{z - i} dz = 2\pi i $,这是柯西积分公式的基本情形。
- 但题目中 $ n $ 是正整数,即 $ n \geq 1 $,所以 $ n+1 \geq 2 $,对应的是高阶导数,而常数函数的高阶导数为零,故积分为零。
✅ 答案:C. 0
解析
考查要点:本题主要考查复变函数中的柯西积分定理和高阶导数公式的应用,以及判断奇点是否在积分路径内部的能力。
解题核心思路:
- 确定积分路径:圆周$|z+1|=2$的圆心和半径;
- 判断奇点位置:确定被积函数的奇点$z=i$是否在积分路径内部;
- 应用柯西积分公式:若奇点在内部,利用高阶导数公式计算积分值。
破题关键点:
- 奇点位置:计算$z=i$到圆心$-1$的距离,判断是否小于半径$2$;
- 导数性质:常数函数的$n$阶导数为$0$($n \geq 1$),直接导致积分结果为$0$。
步骤1:分析积分路径
积分路径为正向圆周$C: |z+1|=2$,圆心为$z=-1$,半径$2$。该圆覆盖区域为:实部$-3$到$1$,虚部$-2i$到$2i$。
步骤2:判断奇点位置
被积函数$\frac{1}{(z-i)^{n+1}}$的奇点为$z=i$。计算$z=i$到圆心$-1$的距离:
$|i - (-1)| = |i + 1| = \sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt{2} \approx 1.414 < 2$
因此,奇点$z=i$在圆$C$内部。
步骤3:应用柯西积分公式
根据柯西积分的高阶导数公式:
$\oint_C \frac{f(z)}{(z-a)^{n+1}} \mathrm{d}z = \frac{2\pi i}{n!} f^{(n)}(a)$
本题中,$f(z)=1$(解析函数),$a=i$。由于$f(z)=1$的任意阶导数$f^{(n)}(i)=0$($n \geq 1$),代入公式得:
$\oint_C \frac{1}{(z-i)^{n+1}} \mathrm{d}z = \frac{2\pi i}{n!} \cdot 0 = 0$