例1 指出下列函数的解析性区域,并求出其导数.(1) z^5 + iz;(2) (1)/(z(z^2 + 1));(3) (az + b)/(cz + d) (c,d至少有一个不为0)
例1 指出下列函数的解析性区域,并求出其导数. (1) $z^5 + iz$; (2) $\frac{1}{z(z^2 + 1)}$; (3) $\frac{az + b}{cz + d}$ (c,d至少有一个不为0)
题目解答
答案
(1) 函数 $z^5 + iz$ 为多项式,整个复平面解析,导数为 $5z^4 + i$。
(2) 函数 $\frac{1}{z(z^2 + 1)}$ 分母不为零时解析,即除 $z = 0, \pm i$ 外的复平面,导数为 $-\frac{3z^2 + 1}{z^2(z^2 + 1)^2}$。
(3) 函数 $\frac{az + b}{cz + d}$($c, d$ 至少一个不为0)分母不为零时解析,即除 $z = -\frac{d}{c}$(若 $c \neq 0$)外的复平面,导数为 $\frac{ad - bc}{(cz + d)^2}$。若 $c = 0$,函数为线性,整个复平面解析,导数为 $\frac{a}{d}$。
$\boxed{\begin{array}{ccc}\text{(1) 整个复平面,} & 5z^4 + i, \\\text{(2) 除 } z = 0, \pm i \text{ 外,} & -\frac{3z^2 + 1}{z^2(z^2 + 1)^2}, \\\text{(3) 除 } z = -\frac{d}{c} \text{(若 } c \neq 0 \text{)外,} & \frac{ad - bc}{(cz + d)^2}.\end{array}}$
注:(3)中若 $c = 0$,函数在整个复平面解析,导数为 $\frac{a}{d}$。
解析
本题主要考查复变函数的解析性区域以及导数的求解。解题的关键在于根据不同函数的特点,利用复变函数解析的定义和求导法则来确定解析区域和导数。
(1) 对于函数 $f(z)=z^5 + iz$
- 解析性区域:
多项式函数在整个复平面上都是解析的。因为 $z^5 + iz$ 是关于 $z$ 的多项式,所以它在整个复平面上解析。 - 求导数:
根据求导公式 $(z^n)^\prime = nz^{n - 1}$,对 $f(z)$ 求导:
$f^\prime(z)=(z^5 + iz)^\prime=(z^5)^\prime+(iz)^\prime$
对于 $(z^5)^\prime$,根据求导公式可得 $(z^5)^\prime = 5z^{5 - 1}=5z^4$;对于 $(iz)^\prime$,因为 $i$ 是常数,所以 $(iz)^\prime = i(z)^\prime = i\times1 = i$。
则 $f^\prime(z)=5z^4 + i$。
(2) 对于函数 $f(z)=\frac{1}{z(z^2 + 1)}$
- 解析性区域:
分式函数在分母不为零的区域解析。令 $z(z^2 + 1)=0$,即 $z(z + i)(z - i)=0$,解得 $z = 0$ 或 $z=\pm i$。
所以函数 $f(z)$ 在除 $z = 0, \pm i$ 外的复平面上解析。 - 求导数:
根据除法求导公式 $(\frac{u}{v})^\prime=\frac{u^\prime v - uv^\prime}{v^2}$,这里 $u = 1$,$v = z(z^2 + 1)=z^3 + z$。
先求 $u^\prime$ 和 $v^\prime$,$u^\prime=(1)^\prime = 0$,$v^\prime=(z^3 + z)^\prime=(z^3)^\prime+(z)^\prime = 3z^2 + 1$。
则 $f^\prime(z)=\frac{0\times(z^3 + z)-1\times(3z^2 + 1)}{(z^3 + z)^2}=-\frac{3z^2 + 1}{z^2(z^2 + 1)^2}$。
(3) 对于函数 $f(z)=\frac{az + b}{cz + d}$($c, d$ 至少一个不为 0)
- 解析性区域:
当 $c\neq0$ 时,令 $cz + d = 0$,解得 $z = -\frac{d}{c}$,此时函数在除 $z = -\frac{d}{c}$ 外的复平面上解析。
当 $c = 0$ 时,函数 $f(z)=\frac{az + b}{d}=\frac{a}{d}z+\frac{b}{d}$ 是线性函数,线性函数在整个复平面上解析。 - 求导数:
当 $c\neq0$ 时,根据除法求导公式 $(\frac{u}{v})^\prime=\frac{u^\prime v - uv^\prime}{v^2}$,这里 $u = az + b$,$v = cz + d$。
先求 $u^\prime$ 和 $v^\prime$,$u^\prime=(az + b)^\prime = a$,$v^\prime=(cz + d)^\prime = c$。
则 $f^\prime(z)=\frac{a(cz + d)-c(az + b)}{(cz + d)^2}=\frac{ac z+ad - ac z - bc}{(cz + d)^2}=\frac{ad - bc}{(cz + d)^2}$。
当 $c = 0$ 时,$f(z)=\frac{a}{d}z+\frac{b}{d}$,根据求导公式 $(z^n)^\prime = nz^{n - 1}$,可得 $f^\prime(z)=(\frac{a}{d}z+\frac{b}{d})^\prime=\frac{a}{d}$。