设 C: |z+1|=(1)/(2),则 int_(C) (sin frac(pi)/(4) z)(z^2-1) dz=A. 2pi iB. -(sqrt(2))/(2) pi iC. sqrt(2) pi iD. (sqrt(2))/(2) pi i
A. $2\pi i$
B. $-\frac{\sqrt{2}}{2} \pi i$
C. $\sqrt{2} \pi i$
D. $\frac{\sqrt{2}}{2} \pi i$
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查复变函数中的留数定理应用,涉及积分路径内奇点的判断及一阶极点留数的计算。
解题核心思路:
- 确定积分路径:曲线$C$是以$-1$为中心、半径为$\frac{1}{2}$的圆。
- 分析被积函数的奇点:分母$z^2-1$分解为$(z-1)(z+1)$,奇点为$z=1$和$z=-1$。
- 判断奇点是否在积分路径内:$z=-1$在圆内,$z=1$在圆外。
- 计算留数:在$z=-1$处为一阶极点,利用留数公式求解。
- 应用留数定理:积分结果为$2\pi i$乘以留数。
破题关键:正确识别积分路径内的奇点,并准确计算对应留数。
步骤1:确定积分路径与奇点位置
曲线$C: |z+1| = \frac{1}{2}$是以$-1$为中心、半径$\frac{1}{2}$的圆。被积函数$\frac{\sin\frac{\pi}{4}z}{z^2-1}$的奇点为$z=1$和$z=-1$。
- $z=-1$到圆心$-1$的距离为$0$,小于半径$\frac{1}{2}$,故在圆内。
- $z=1$到圆心$-1$的距离为$2$,远大于半径$\frac{1}{2}$,故在圆外。
步骤2:计算$z=-1$处的留数
被积函数可写为$\frac{\sin\frac{\pi}{4}z}{(z-1)(z+1)}$,在$z=-1$处为一阶极点。
根据留数公式:
$\text{Res}\left(f, -1\right) = \lim_{z \to -1} (z+1) \cdot \frac{\sin\frac{\pi}{4}z}{(z-1)(z+1)} = \lim_{z \to -1} \frac{\sin\frac{\pi}{4}z}{z-1}$
代入$z=-1$:
$\frac{\sin\left(-\frac{\pi}{4}\right)}{-1-1} = \frac{-\frac{\sqrt{2}}{2}}{-2} = \frac{\sqrt{2}}{4}$
步骤3:应用留数定理
积分结果为:
$\int_{C} \frac{\sin\frac{\pi}{4}z}{z^2-1} dz = 2\pi i \cdot \text{Res}\left(f, -1\right) = 2\pi i \cdot \frac{\sqrt{2}}{4} = \frac{\sqrt{2}}{2}\pi i$