设 f(z) = x^2 + iy^2,则 f'(1+i) = ( )A. 2B. 2iC. 1+iD. 2+2i
设 $f(z) = x^2 + iy^2$,则 $f'(1+i) = $ ( ) A. 2 B. $2i$ C. $1+i$ D. $2+2i$
题目解答
答案
我们来逐步分析题目:
题目给出一个复变函数:
$f(z) = x^2 + i y^2$
其中 $ z = x + i y $,即 $ x = \operatorname{Re}(z) $,$ y = \operatorname{Im}(z) $。
我们要计算的是 $ f'(1+i) $,也就是函数在点 $ z = 1+i $ 处的导数。
第一步:理解复变函数的可导性
在复分析中,一个函数 $ f(z) $ 在某点可导(解析),需要满足 Cauchy-Riemann 方程,并且偏导数连续。
我们先把 $ f(z) $ 写成实部和虚部的形式。
已知:
$f(z) = x^2 + i y^2$
所以可以写成:
$f(z) = u(x, y) + i v(x, y)$
其中:
- $ u(x, y) = x^2 $
- $ v(x, y) = y^2 $
第二步:检查 Cauchy-Riemann 方程
Cauchy-Riemann 方程为:
$\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y}, \quad \frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x}$
我们计算各个偏导数:
- $ \frac{\partial u}{\partial x} = 2x $
- $ \frac{\partial u}{\partial y} = 0 $
- $ \frac{\partial v}{\partial x} = 0 $
- $ \frac{\partial v}{\partial y} = 2y $
代入 C-R 方程:
- $ 2x = 2y $ ⟹ $ x = y $
- $ 0 = -0 $ ⟹ 恒成立
所以,Cauchy-Riemann 方程只在 $ x = y $ 上成立,即在直线 $ \operatorname{Re}(z) = \operatorname{Im}(z) $ 上成立。
而我们要计算的是 $ f'(1+i) $,此时 $ z = 1+i $,即 $ x = 1, y = 1 $,满足 $ x = y $,所以在该点 可能可导。
但注意:即使 C-R 方程在一点成立,也不能保证函数在该点可导,还需要函数在该点可微(通常要求偏导数连续,这里满足,因为都是多项式)。
由于 $ u $ 和 $ v $ 的偏导数都是连续的,且在 $ (1,1) $ 满足 C-R 方程,因此 $ f(z) $ 在 $ z = 1+i $ 处是可导的。
第三步:计算导数 $ f'(z) $
在复变函数中,如果函数可导,则导数可以由下式计算:
$f'(z) = \frac{\partial u}{\partial x} + i \frac{\partial v}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y} - i \frac{\partial u}{\partial y}$
我们使用第一个公式:
$f'(z) = \frac{\partial u}{\partial x} + i \frac{\partial v}{\partial x} = 2x + i \cdot 0 = 2x$
或者用另一个形式:
$f'(z) = \frac{\partial v}{\partial y} - i \frac{\partial u}{\partial y} = 2y - i \cdot 0 = 2y$
但注意!这两个结果分别是 $ 2x $ 和 $ 2y $,只有当 $ x = y $ 时它们才相等,这正是 C-R 方程成立的条件。
所以在满足 $ x = y $ 的点上,$ f'(z) = 2x = 2y $。
在 $ z = 1+i $ 处,$ x = 1, y = 1 $,所以:
$f'(1+i) = 2x = 2 \times 1 = 2$
答案:
$\boxed{A. \ 2}$
补充说明:
虽然函数 $ f(z) = x^2 + i y^2 $ 看起来像“类似 $ z^2 $”,但它不是解析函数,只在直线 $ x = y $ 上满足 C-R 方程,因此仅在这些点上可能可导,整体不解析。
但在 $ z = 1+i $ 处满足条件,导数存在,且值为 2。
✅ 最终答案:$ \boxed{A} $
解析
考查要点:本题主要考查复变函数的可导性及导数计算,需要掌握柯西-黎曼方程的应用以及导数的求解方法。
解题核心思路:
- 分解函数:将复变函数分解为实部$u(x,y)$和虚部$v(x,y)$。
- 验证柯西-黎曼方程:计算偏导数并验证是否满足方程,确定可导性。
- 计算导数:在满足条件的点上,利用偏导数求导。
破题关键点:
- 柯西-黎曼方程的成立条件是函数可导的前提。
- 导数的计算需结合偏导数结果,注意公式的选择。
分解函数
将$f(z) = x^2 + i y^2$分解为:
$u(x,y) = x^2, \quad v(x,y) = y^2$
验证柯西-黎曼方程
计算偏导数:
$\frac{\partial u}{\partial x} = 2x, \quad \frac{\partial u}{\partial y} = 0 \\
\frac{\partial v}{\partial x} = 0, \quad \frac{\partial v}{\partial y} = 2y$
代入柯西-黎曼方程:
$\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y} \implies 2x = 2y \implies x = y \\
\frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x} \implies 0 = 0 \quad (\text{恒成立})$
结论:函数仅在直线$x = y$上满足柯西-黎曼方程,而点$1+i$(即$x=1, y=1$)满足条件,故可导。
计算导数
根据公式$f'(z) = \frac{\partial u}{\partial x} + i \frac{\partial v}{\partial x}$:
$f'(1+i) = 2x + i \cdot 0 = 2x$
代入$x=1$,得:
$f'(1+i) = 2 \times 1 = 2$