oint_(C) (e^z)/(z(z-2)) dz. 试就下列不同情形, 写出此积分的值:(1) C 为正向圆周 |z|=1,(2) C 为正向圆周 |z-2|=1/2,(3) C 为正向圆周 |z|=3.
$\oint_{C} \frac{e^z}{z(z-2)} dz$. 试就下列不同情形, 写出此积分的值: (1) C 为正向圆周 $|z|=1$, (2) C 为正向圆周 $|z-2|=1/2$, (3) C 为正向圆周 $|z|=3$.
题目解答
答案
(1) 对于 $C: |z| = 1$,奇点 $z = 0$ 在圆内,$z = 2$ 在圆外。
留数 $\text{Res}(f, 0) = -\frac{1}{2}$,积分值为 $2\pi i \times \left(-\frac{1}{2}\right) = -\pi i$。
(2) 对于 $C: |z-2| = \frac{1}{2}$,奇点 $z = 2$ 在圆内,$z = 0$ 在圆外。
留数 $\text{Res}(f, 2) = \frac{e^2}{2}$,积分值为 $2\pi i \times \frac{e^2}{2} = \pi i e^2$。
(3) 对于 $C: |z| = 3$,奇点 $z = 0$ 和 $z = 2$ 均在圆内。
留数和 $\text{Res}(f, 0) + \text{Res}(f, 2) = -\frac{1}{2} + \frac{e^2}{2} = \frac{e^2 - 1}{2}$,积分值为 $2\pi i \times \frac{e^2 - 1}{2} = \pi i (e^2 - 1)$。
答案:
(1) $-\pi i$
(2) $\pi i e^2$
(3) $\pi i (e^2 - 1)$
$\boxed{\begin{array}{ccc}\text{(1) } -\pi i, \\\text{(2) } \pi i e^2, \\\text{(3) } \pi i (e^2 - 1).\end{array}}$
解析
考查要点:本题主要考查复变函数中的留数定理应用,涉及不同积分路径下奇点的判断及留数的计算。
解题核心思路:
- 确定积分路径内的奇点:分析每个路径是否包围函数$f(z)=\frac{e^z}{z(z-2)}$的奇点$z=0$和$z=2$。
- 计算留数:对路径内的奇点,利用简单极点的留数公式计算$\text{Res}(f, z_0)$。
- 应用留数定理:积分值为$2\pi i$乘以路径内所有奇点的留数之和。
破题关键点:
- 奇点位置判断:根据路径方程判断奇点是否在积分路径内。
- 留数公式应用:对简单极点,直接用$\text{Res}(f, z_0) = \lim_{z \to z_0} (z - z_0)f(z)$计算。
第(1)题:$C: |z|=1$
- 奇点位置:
- $z=0$在圆内($|0|=0 < 1$)。
- $z=2$在圆外($|2|=2 > 1$)。
- 计算留数:
在$z=0$处,$\text{Res}\left(f, 0\right) = \lim_{z \to 0} z \cdot \frac{e^z}{z(z-2)} = \frac{e^0}{-2} = -\frac{1}{2}$。 - 积分值:
$2\pi i \cdot \left(-\frac{1}{2}\right) = -\pi i$。
第(2)题:$C: |z-2|=\frac{1}{2}$
- 奇点位置:
- $z=2$在圆内($|2-2|=0 < \frac{1}{2}$)。
- $z=0$在圆外($|0-2|=2 > \frac{1}{2}$)。
- 计算留数:
在$z=2$处,$\text{Res}\left(f, 2\right) = \lim_{z \to 2} (z-2) \cdot \frac{e^z}{z(z-2)} = \frac{e^2}{2}$。 - 积分值:
$2\pi i \cdot \frac{e^2}{2} = \pi i e^2$。
第(3)题:$C: |z|=3$
- 奇点位置:
- $z=0$和$z=2$均在圆内($|0|=0 < 3$,$|2|=2 < 3$)。
- 计算留数和:
- $\text{Res}\left(f, 0\right) = -\frac{1}{2}$(同第(1)题)。
- $\text{Res}\left(f, 2\right) = \frac{e^2}{2}$(同第(2)题)。
- 留数和为$-\frac{1}{2} + \frac{e^2}{2} = \frac{e^2 - 1}{2}$。
- 积分值:
$2\pi i \cdot \frac{e^2 - 1}{2} = \pi i (e^2 - 1)$。