题目
2.设f(z)=(e^z)/(z^2)-1,求Res(f(z),∞).
2.设$f(z)=\frac{e^{z}}{z^{2}-1}$,求Res(f(z),∞).
题目解答
答案
将函数 $ f(z) = \frac{e^z}{z^2 - 1} $ 转换为 $ \frac{1}{z^2} f\left( \frac{1}{z} \right) = \frac{e^{1/z}}{1 - z^2} $。
在 $ z = 0 $ 处展开为 Laurent 级数:
\[
e^{1/z} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n! z^n}, \quad \frac{1}{1 - z^2} = \sum_{m=0}^{\infty} z^{2m}
\]
乘积中 $ \frac{1}{z} $ 的系数为 $\sum_{m=0}^{\infty} \frac{1}{(2m+1)!} = \sinh(1)$。
由无穷远点留数公式得:
\[
\text{Res}[f(z), \infty] = -\sinh(1) = -\frac{e - e^{-1}}{2}
\]
**答案:**
\[
\boxed{-\frac{e - e^{-1}}{2}}
\]
解析
考查要点:本题主要考查复变函数中无穷远点留数的计算方法,涉及洛朗级数展开和留数定理的应用。
解题核心思路:
- 无穷远点留数的转换公式:利用变量代换 $z = \frac{1}{w}$,将 $\text{Res}(f(z), \infty)$ 转换为 $\text{Res}\left( -\frac{1}{w^2}f\left( \frac{1}{w} \right), 0 \right)$。
- 函数展开为洛朗级数:将转换后的函数分解为两个已知级数的乘积,分别展开后通过柯西乘积找到 $\frac{1}{z}$ 项的系数。
- 特殊函数求和:识别级数求和结果与双曲正弦函数 $\sinh(1)$ 的关系,最终得到答案。
破题关键点:
- 正确应用无穷远点留数公式,注意符号变化。
- 准确展开 $e^{1/z}$ 和 $\frac{1}{1-z^2}$ 的洛朗级数,并找到乘积中 $\frac{1}{z}$ 项的系数。
- 联系级数和 $\sinh(1)$ 的表达式,简化结果。
步骤1:应用无穷远点留数公式
根据无穷远点留数的定义:
$\text{Res}(f(z), \infty) = -\text{Res}\left( \frac{1}{z^2} f\left( \frac{1}{z} \right), 0 \right).$
将 $f(z) = \frac{e^z}{z^2 - 1}$ 代入,得:
$\frac{1}{z^2} f\left( \frac{1}{z} \right) = \frac{1}{z^2} \cdot \frac{e^{1/z}}{\left( \frac{1}{z^2} \right) - 1} = \frac{e^{1/z}}{1 - z^2}.$
步骤2:展开洛朗级数
- 展开 $e^{1/z}$:
$e^{1/z} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n! z^n}.$ - 展开 $\frac{1}{1 - z^2}$(几何级数):
$\frac{1}{1 - z^2} = \sum_{m=0}^{\infty} z^{2m}, \quad |z| < 1.$
步骤3:柯西乘积求 $\frac{1}{z}$ 项系数
将两级数相乘:
$\sum_{n=0}^{\infty} \sum_{m=0}^{\infty} \frac{z^{2m - n}}{n!}.$
寻找指数为 $-1$ 的项,即解方程 $2m - n = -1$,得 $n = 2m + 1$。系数为:
$\sum_{m=0}^{\infty} \frac{1}{(2m+1)!} = \sinh(1).$
步骤4:计算最终结果
根据公式:
$\text{Res}(f(z), \infty) = -\sinh(1) = -\frac{e - e^{-1}}{2}.$