.用导数定义,求 f(z)=zRez 的导数.
题目解答
答案
设 $ z = x + iy $,则 $ f(z) = z \operatorname{Re}(z) = (x + iy)x = x^2 + ixy $。
根据导数定义,
$f'(z) = \lim_{\Delta z \to 0} \frac{f(z + \Delta z) - f(z)}{\Delta z}.$
令 $ \Delta z = \Delta x + i\Delta y $,则
$f(z + \Delta z) = (x + \Delta x)^2 + i(y + \Delta y)(x + \Delta x).$
计算得
$f(z + \Delta z) - f(z) = 2x\Delta x + (\Delta x)^2 + i(y\Delta x + \Delta yx + \Delta y\Delta x).$
因此,
$\frac{f(z + \Delta z) - f(z)}{\Delta z} = \frac{2x\Delta x + (\Delta x)^2 + i(y\Delta x + \Delta yx + \Delta y\Delta x)}{\Delta x + i\Delta y}.$
当 $ \Delta y = 0 $ 时,极限为 $ 2x + iy $;当 $ \Delta x = 0 $ 时,极限为 $ x $。
导数存在需 $ 2x + iy = x $,即 $ x + iy = 0 $,仅在 $ z = 0 $ 时成立。
在 $ z = 0 $ 时,
$f'(0) = \lim_{\Delta z \to 0} \frac{\Delta z \operatorname{Re}(\Delta z)}{\Delta z} = \lim_{\Delta z \to 0} \operatorname{Re}(\Delta z) = 0.$
答案:
$\boxed{\begin{cases} 0 & z = 0, \\ \text{不存在} & z \neq 0. \end{cases}}$
解析
本题考查复变函数导数的定义。解题思路是先将复变函数$f(z)$用实部和虚部表示出来,然后根据导数定义$f^\prime(z)=\lim\limits_{\Delta z \to 0} \frac{f(z + \Delta z) - f(z)}{\Delta z}$进行计算,通过分别考虑$\Delta y = 0$和$\Delta x = 0$两种特殊情况来确定极限是否存在,若极限存在则导数存在,若极限不存在则导数不存在。
- 将函数$f(z)$用实部和虚部表示:
设$z = x + iy$,则$f(z) = z \operatorname{Re}(z) = (x + iy)x = x^2 + ixy$。 - 根据导数定义计算$\frac{f(z + \Delta z) - f(z)}{\Delta z}$:
令$\Delta z = \Delta x + i\Delta y$,则$z + \Delta z=(x + \Delta x)+i(y + \Delta y)$,那么$f(z + \Delta z) = (x + \Delta x)^2 + i(y + \Delta y)(x + \Delta x)$。
计算$f(z + \Delta z) - f(z)$:
$\begin{align*}f(z + \Delta z) - f(z)&=(x + \Delta x)^2 + i(y + \Delta y)(x + \Delta x)-(x^2 + ixy)\\&=x^2 + 2x\Delta x + (\Delta x)^2 + i(yx + y\Delta x + \Delta yx + \Delta y\Delta x)-x^2 - ixy\\&= 2x\Delta x + (\Delta x)^2 + i(y\Delta x + \Delta yx + \Delta y\Delta x)\end{align*}$
所以$\frac{f(z + \Delta z) - f(z)}{\Delta z} = \frac{2x\Delta x + (\Delta x)^2 + i(y\Delta x + \Delta yx + \Delta y\Delta x)}{\Delta x + i\Delta y}$。 - 分别考虑$\Delta y = 0$和$\Delta x = 0$时的极限:
- 当$\Delta y = 0$时,$\Delta z = \Delta x$,则$\frac{f(z + \Delta z) - f(z)}{\Delta z} = \frac{2x\Delta x + (\Delta x)^2 + i(y\Delta x)}{\Delta x}=2x + iy$,此时极限为$2x + iy$。
- 当$\Delta x = 0$时,$\Delta z = i\Delta y$,则$\frac{f(z + \Delta z) - f(z)}{\Delta z} = \frac{i(y\Delta y) + i\Delta yx + i\Delta y\Delta y}{i\Delta y}=x$,此时极限为$x$。
- 判断导数是否存在:
导数存在需极限唯一,即$2x + iy = x$,移项可得$x + iy = 0$,也就是$z = 0$时极限唯一,导数存在。 - 计算$z = 0$时的导数:
当$z = 0$时,$f^\prime(0) = \lim\limits_{\Delta z \to 0} \frac{f(0 + \Delta z) - f(0)}{\Delta z}=\lim\limits_{\Delta z \to 0} \frac{\Delta z \operatorname{Re}(\Delta z)}{\Delta z} = \lim\limits_{\Delta z \to 0} \operatorname{Re}(\Delta z) = 0$。