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数学
题目

12.求积分int_(C)(1)/(z+2)dz的值,其中C:|z|=1,并由此证明int_(0)^pi(1+2costheta)/(5+4costheta)dtheta=0.

12.求积分$\int_{C}\frac{1}{z+2}dz$的值,其中C:|z|=1,并由此证明 $\int_{0}^{\pi}\frac{1+2\cos\theta}{5+4\cos\theta}d\theta=0.$

题目解答

答案

1. **计算复积分** 被积函数 $\frac{1}{z+2}$ 在圆 $|z|=1$ 内无奇点(奇点 $z=-2$ 在圆外),由柯西积分定理知: \[ \int_C \frac{1}{z+2} \, dz = 0. \] 2. **参数化并分离实虚部** 设 $z = e^{i\theta}$,则 $dz = ie^{i\theta} \, d\theta$,代入得: \[ \int_0^{2\pi} \frac{ie^{i\theta}}{e^{i\theta}+2} \, d\theta = i \int_0^{2\pi} \frac{1+2\cos\theta}{5+4\cos\theta} \, d\theta - 2 \int_0^{2\pi} \frac{\sin\theta}{5+4\cos\theta} \, d\theta. \] 由积分值为0,得实部和虚部分别为0。 3. **利用函数奇偶性** $\frac{\sin\theta}{5+4\cos\theta}$ 为奇函数,积分区间对称,故积分为0。 $\frac{1+2\cos\theta}{5+4\cos\theta}$ 为偶函数,利用对称性: \[ \int_0^{2\pi} \frac{1+2\cos\theta}{5+4\cos\theta} \, d\theta = 2 \int_0^\pi \frac{1+2\cos\theta}{5+4\cos\theta} \, d\theta = 0. \] **答案:** \[ \boxed{0} \]

解析

考查要点:本题主要考查复变函数的积分计算及实积分的转化方法,涉及柯西积分定理、参数化方法以及奇偶函数的积分性质。

解题核心思路:

  1. 复积分计算:利用柯西积分定理判断被积函数在积分路径内的解析性,直接得出积分结果。
  2. 参数化与实积分转化:将复积分转化为关于$\theta$的实积分,分离实部和虚部。
  3. 奇偶性分析:通过被积函数的奇偶性简化积分区间,结合对称性得出最终结果。

破题关键点:

  • 判断奇点位置:确定被积函数$\frac{1}{z+2}$的奇点是否在积分路径$|z|=1$内。
  • 参数化技巧:将复积分路径$|z|=1$参数化为$z=e^{i\theta}$,将复积分转化为实积分。
  • 奇偶性应用:利用$\sin\theta$和$\cos\theta$的奇偶性简化积分表达式。

第(1)题:计算复积分$\int_{C}\frac{1}{z+2}dz$

判断奇点位置

被积函数$\frac{1}{z+2}$的奇点为$z=-2$,而积分路径$C:|z|=1$的半径为1,中心在原点。显然,$|z|=1$内的所有点满足$|z| \leq 1$,而$|-2|=2 > 1$,因此奇点$z=-2$在路径外。

应用柯西积分定理

由于被积函数在$|z|=1$内解析,根据柯西积分定理,积分结果为0:
$\int_{C}\frac{1}{z+2}dz = 0.$

第(2)题:证明$\int_{0}^{\pi}\frac{1+2\cos\theta}{5+4\cos\theta}d\theta=0$

参数化复积分

将路径$C$参数化为$z=e^{i\theta}$($\theta$从$0$到$2\pi$),则$dz=ie^{i\theta}d\theta$。代入复积分得:
$\int_{0}^{2\pi} \frac{ie^{i\theta}}{e^{i\theta}+2} d\theta = 0.$

分离实部与虚部

将分子和分母展开为三角函数形式:
$\frac{ie^{i\theta}}{e^{i\theta}+2} = \frac{i(\cos\theta + i\sin\theta)}{(2+\cos\theta) + i\sin\theta}.$
通过有理化分母,分离实部和虚部后,积分可分解为:
$i \int_{0}^{2\pi} \frac{1+2\cos\theta}{5+4\cos\theta} d\theta - 2 \int_{0}^{2\pi} \frac{\sin\theta}{5+4\cos\theta} d\theta = 0.$

利用奇偶性简化积分

  1. 虚部积分:$\frac{\sin\theta}{5+4\cos\theta}$是奇函数,积分区间$[0, 2\pi]$对称,故虚部积分为0。
  2. 实部积分:$\frac{1+2\cos\theta}{5+4\cos\theta}$是偶函数,积分区间可简化为:
    $\int_{0}^{2\pi} \frac{1+2\cos\theta}{5+4\cos\theta} d\theta = 2 \int_{0}^{\pi} \frac{1+2\cos\theta}{5+4\cos\theta} d\theta.$
    结合复积分结果为0,得:
    $2 \int_{0}^{\pi} \frac{1+2\cos\theta}{5+4\cos\theta} d\theta = 0 \implies \int_{0}^{\pi} \frac{1+2\cos\theta}{5+4\cos\theta} d\theta = 0.$

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