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数学
题目

设 C 为正向圆周 |z|=2,则 oint_(C) [sin z + (e^z)/(z(z-3))] , dz = [ ]A. (2pi i)/(3)B. -(2pi i)/(3)C. e^3D. 1

设 $C$ 为正向圆周 $|z|=2$,则 $\oint_{C} [\sin z + \frac{e^z}{z(z-3)}] \, dz = [ ]$ A. $\frac{2\pi i}{3}$ B. $-\frac{2\pi i}{3}$ C. $e^3$ D. $1$

题目解答

答案

我们来一步一步求解这个复变函数的积分:

题目给出:

设 $ C $ 为正向圆周 $ |z| = 2 $,计算
$\oint_{C} \left[\sin z + \frac{e^z}{z(z-3)}\right] \, dz$

第一步:分析积分路径

路径 $ C $ 是正向(逆时针)的圆周 $ |z| = 2 $,即以原点为中心,半径为 2 的圆。

我们关心的是被积函数在该闭合路径内部是否有奇点。

第二步:将积分拆开

由于积分是线性的,我们可以拆成两个部分:

$\oint_{C} \left[\sin z + \frac{e^z}{z(z-3)}\right] dz = \oint_C \sin z \, dz + \oint_C \frac{e^z}{z(z-3)} \, dz$

我们分别计算这两个积分。

第三部分:计算 $ \oint_C \sin z \, dz $

函数 $ \sin z $ 是整函数(在整个复平面上解析),因此它在闭合曲线 $ C $ 内部解析。

根据柯西积分定理:若函数在闭合曲线及其内部解析,则沿该曲线的积分为 0。

所以:
$\oint_C \sin z \, dz = 0$

第四部分:计算 $ \oint_C \frac{e^z}{z(z-3)} \, dz $

我们分析函数:
$f(z) = \frac{e^z}{z(z-3)}$

它的奇点出现在分母为零的地方:$ z = 0 $ 和 $ z = 3 $

现在看这两个奇点是否在 $ C $(即 $ |z| = 2 $)的内部:

  • $ |z=0| = 0 < 2 $:在内部 ✅
  • $ |z=3| = 3 > 2 $:在外部 ❌

因此,在 $ C $ 内部只有一个奇点:$ z = 0 $

我们可以使用留数定理来计算这个积分。

留数定理告诉我们:
$\oint_C f(z) \, dz = 2\pi i \cdot \sum \text{Res}(f, z_k)$
其中求和是对 $ C $ 内部的所有奇点的留数。

这里只需求 $ z=0 $ 处的留数。

第五部分:求 $ \text{Res}_{z=0} \left( \frac{e^z}{z(z-3)} \right) $

函数在 $ z=0 $ 处有一个一阶极点(因为分母是 $ z \cdot (z-3) $,在 $ z=0 $ 处 $ z $ 是一次因子,而 $ z-3 \ne 0 $)

对于一阶极点,留数公式为:
$\text{Res}_{z=0} f(z) = \lim_{z \to 0} (z - 0) \cdot \frac{e^z}{z(z-3)} = \lim_{z \to 0} \frac{e^z}{z-3}$

计算极限:
$\frac{e^0}{0 - 3} = \frac{1}{-3} = -\frac{1}{3}$

所以留数为 $ -\frac{1}{3} $

第六部分:应用留数定理

$\oint_C \frac{e^z}{z(z-3)} \, dz = 2\pi i \cdot \left( -\frac{1}{3} \right) = -\frac{2\pi i}{3}$

第七部分:合并两个积分

$\oint_C \left[\sin z + \frac{e^z}{z(z-3)}\right] dz = 0 + \left( -\frac{2\pi i}{3} \right) = -\frac{2\pi i}{3}$

最终答案:

$\boxed{B. \ -\frac{2\pi i}{3}}$

解析

考查要点:本题主要考查复变函数的积分计算,涉及柯西积分定理和留数定理的应用。

解题核心思路:

  1. 拆分积分:将积分拆分为两部分,分别处理。
  2. 判断奇点位置:确定被积函数在积分路径内的奇点。
  3. 应用柯西定理:若函数在积分路径内解析,则积分结果为0。
  4. 计算留数:对路径内的奇点应用留数定理,计算积分值。

破题关键点:

  • 识别整函数:$\sin z$ 是整函数,积分结果为0。
  • 分析奇点位置:$\frac{e^z}{z(z-3)}$ 的奇点 $z=0$ 在路径内,$z=3$ 在路径外。
  • 计算一阶极点的留数:通过极限公式求出 $z=0$ 处的留数。

拆分积分

将积分拆分为两部分:
$\oint_{C} \left[\sin z + \frac{e^z}{z(z-3)}\right] dz = \oint_C \sin z \, dz + \oint_C \frac{e^z}{z(z-3)} \, dz$

计算 $\oint_C \sin z \, dz$

  • $\sin z$ 是整函数,在闭合路径 $C$ 内解析。
  • 根据柯西积分定理,积分结果为:
    $\oint_C \sin z \, dz = 0$

计算 $\oint_C \frac{e^z}{z(z-3)} \, dz$

  1. 分析奇点:分母为 $z(z-3)$,奇点为 $z=0$ 和 $z=3$。
    • $z=0$ 在路径 $|z|=2$ 内。
    • $z=3$ 在路径外。
  2. 应用留数定理:
    $\oint_C \frac{e^z}{z(z-3)} \, dz = 2\pi i \cdot \text{Res}\left(f, 0\right)$
  3. 计算留数:
    • $z=0$ 是一阶极点,留数公式为:
      $\text{Res}_{z=0} \left( \frac{e^z}{z(z-3)} \right) = \lim_{z \to 0} \left[ z \cdot \frac{e^z}{z(z-3)} \right] = \lim_{z \to 0} \frac{e^z}{z-3} = \frac{1}{-3} = -\frac{1}{3}$
    • 积分结果为:
      $2\pi i \cdot \left( -\frac{1}{3} \right) = -\frac{2\pi i}{3}$

合并结果

$\oint_{C} \left[\sin z + \frac{e^z}{z(z-3)}\right] dz = 0 + \left( -\frac{2\pi i}{3} \right) = -\frac{2\pi i}{3}$

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