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数学
题目

曲线 C 为正向圆周 |z-1|=3,int_(C) (1)/(z^3(z-2)^2) , dz=A. (3)/(8)pi iB. (3)/(4)pi iC. 0D. (1)/(8)pi i

曲线 $C$ 为正向圆周 $|z-1|=3$,$\int_{C} \frac{1}{z^3(z-2)^2} \, dz=$

A. $\frac{3}{8}\pi i$

B. $\frac{3}{4}\pi i$

C. $0$

D. $\frac{1}{8}\pi i$

题目解答

答案

C. $0$

解析

考查要点:本题主要考查复变函数中的留数定理应用,涉及奇点判断、留数计算以及积分路径分析。

解题核心思路:

  1. 确定积分路径内的奇点:判断被积函数在圆周$|z-1|=3$内的奇点位置。
  2. 计算各奇点的留数:根据奇点的阶数,选择合适的留数公式进行计算。
  3. 应用留数定理求积分:将各奇点的留数相加,乘以$2\pi i$得到积分结果。

破题关键点:

  • 奇点位置:被积函数的奇点为$z=0$(三阶极点)和$z=2$(二阶极点),均位于积分路径内。
  • 留数计算:分别对$z=0$和$z=2$使用极点留数公式,注意导数的正确计算。

步骤1:确定积分路径内的奇点

被积函数$f(z) = \frac{1}{z^3(z-2)^2}$的奇点为:

  • $z=0$(三阶极点):分母$z^3$导致奇点。
  • $z=2$(二阶极点):分母$(z-2)^2$导致奇点。

积分路径为圆周$|z-1|=3$,中心在$z=1$,半径为3。计算奇点到中心的距离:

  • $|0-1|=1 < 3$,故$z=0$在圆内。
  • $|2-1|=1 < 3$,故$z=2$在圆内。

步骤2:计算各奇点的留数

奇点$z=0$(三阶极点)

根据极点留数公式:
$\text{Res}(f, 0) = \frac{1}{2!} \lim_{z \to 0} \frac{d^2}{dz^2} \left[ \frac{1}{(z-2)^2} \right]$
计算二阶导数:

  1. 一阶导数:$\frac{d}{dz} \left( \frac{1}{(z-2)^2} \right) = -\frac{2}{(z-2)^3}$
  2. 二阶导数:$\frac{d^2}{dz^2} \left( \frac{1}{(z-2)^2} \right) = \frac{6}{(z-2)^4}$

代入$z=0$:
$\text{Res}(f, 0) = \frac{1}{2} \cdot \frac{6}{(-2)^4} = \frac{1}{2} \cdot \frac{6}{16} = \frac{3}{16}$

奇点$z=2$(二阶极点)

根据极点留数公式:
$\text{Res}(f, 2) = \lim_{z \to 2} \frac{d}{dz} \left[ \frac{1}{z^3} \right]$
计算一阶导数:
$\frac{d}{dz} \left( \frac{1}{z^3} \right) = -\frac{3}{z^4}$
代入$z=2$:
$\text{Res}(f, 2) = -\frac{3}{2^4} = -\frac{3}{16}$

步骤3:应用留数定理求积分

留数之和为:
$\text{Res}(f, 0) + \text{Res}(f, 2) = \frac{3}{16} - \frac{3}{16} = 0$
积分结果为:
$\int_{C} \frac{1}{z^3(z-2)^2} \, dz = 2\pi i \cdot 0 = 0$

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