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数学
题目

4. The singular points of the function f(z)=(sin z)/(z(z^2)+1) are

4. The singular points of the function $f(z)=\frac{\sin z}{z(z^{2}+1)}$ are

题目解答

答案

为了找到函数 $ f(z) = \frac{\sin z}{z(z^2 + 1)} $ 的奇点,我们需要确定函数分母为零的点,因为这些点会使函数趋于无穷大或未定义。函数的分母是 $ z(z^2 + 1) $。 首先,我们解方程 $ z(z^2 + 1) = 0 $: 1. $ z = 0 $ 2. $ z^2 + 1 = 0 \implies z^2 = -1 \implies z = \pm i $ 因此,函数 $ f(z) $ 的奇点是 $ z = 0 $,$ z = i $,和 $ z = -i $。 接下来,我们需要检查这些奇点的性质。奇点可以是可去奇点、极点或本性奇点。我们通过检查 $ f(z) $ 在这些点附近的 Laurent 级数展开来确定奇点的类型。 1. **在 $ z = 0 $ 处的奇点:** 我们考虑极限 $ \lim_{z \to 0} f(z) $: \[ \lim_{z \to 0} f(z) = \lim_{z \to 0} \frac{\sin z}{z(z^2 + 1)} = \lim_{z \to 0} \frac{\sin z}{z} \cdot \frac{1}{z^2 + 1} = 1 \cdot \frac{1}{0^2 + 1} = 1 \] 由于极限存在且有限,$ z = 0 $ 是一个可去奇点。 2. **在 $ z = i $ 处的奇点:** 我们考虑 $ f(z) $ 在 $ z = i $ 附近的 Laurent 级数展开。函数 $ f(z) $ 在 $ z = i $ 处有一个简单极点,因为分母 $ z(z^2 + 1) $ 在 $ z = i $ 处有一个简单零点: \[ f(z) = \frac{\sin z}{z(z - i)(z + i)} \] $ z = i $ 处的留数是: \[ \lim_{z \to i} (z - i) f(z) = \lim_{z \to i} \frac{\sin z}{z(z + i)} = \frac{\sin i}{i(i + i)} = \frac{\sin i}{2i^2} = \frac{\sin i}{-2} = -\frac{\sin i}{2} \] 由于留数非零,$ z = i $ 是一个简单极点。 3. **在 $ z = -i $ 处的奇点:** 同样,我们考虑 $ f(z) $ 在 $ z = -i $ 附近的 Laurent 级数展开。函数 $ f(z) $ 在 $ z = -i $ 处有一个简单极点,因为分母 $ z(z^2 + 1) $ 在 $ z = -i $ 处有一个简单零点: \[ f(z) = \frac{\sin z}{z(z - i)(z + i)} \] $ z = -i $ 处的留数是: \[ \lim_{z \to -i} (z + i) f(z) = \lim_{z \to -i} \frac{\sin z}{z(z - i)} = \frac{\sin(-i)}{-i(-i - i)} = \frac{-\sin i}{-i(-2i)} = \frac{-\sin i}{-2i^2} = \frac{-\sin i}{-2} = \frac{\sin i}{2} \] 由于留数非零,$ z = -i $ 是一个简单极点。 因此,函数 $ f(z) = \frac{\sin z}{z(z^2 + 1)} $ 的奇点是 $ z = 0 $(可去奇点),$ z = i $(简单极点),和 $ z = -i $(简单极点)。 答案是 $\boxed{z=0, \pm i}$。

解析

考查要点:本题要求确定复变函数 $f(z) = \frac{\sin z}{z(z^2 + 1)}$ 的奇点位置及类型。
解题思路:

  1. 奇点位置:函数的奇点由分母为零的点确定,即解方程 $z(z^2 + 1) = 0$。
  2. 奇点分类:通过分析函数在奇点附近的展开形式或极限,判断奇点是可去奇点、极点还是本性奇点。
    关键点:
  • 可去奇点:若函数在奇点处的极限存在且有限,则该奇点为可去奇点。
  • 极点:若函数在奇点附近可展开为洛朗级数,且主部为有限项,则奇点为极点(根据主部最高次幂判断极点阶数)。

1. 确定奇点位置

函数分母为 $z(z^2 + 1)$,令其为零:
$z(z^2 + 1) = 0 \implies z = 0 \quad \text{或} \quad z^2 = -1 \implies z = \pm i.$
因此,函数的奇点为 $z = 0$、$z = i$、$z = -i$。

2. 分析奇点类型

在 $z = 0$ 处

计算极限:
$\lim_{z \to 0} f(z) = \lim_{z \to 0} \frac{\sin z}{z(z^2 + 1)} = \lim_{z \to 0} \frac{\sin z}{z} \cdot \frac{1}{z^2 + 1} = 1 \cdot 1 = 1.$
结论:极限存在且有限,故 $z = 0$ 是可去奇点。

在 $z = i$ 处

分母因式分解为 $z(z - i)(z + i)$,分子 $\sin z$ 在 $z = i$ 处无零点。
计算留数:
$\text{Res}(f, i) = \lim_{z \to i} (z - i) f(z) = \frac{\sin i}{i(i + i)} = -\frac{\sin i}{2} \neq 0.$
结论:存在非零留数,故 $z = i$ 是简单极点(一阶极点)。

在 $z = -i$ 处

同理,分母因式分解为 $z(z - i)(z + i)$,分子 $\sin z$ 在 $z = -i$ 处无零点。
计算留数:
$\text{Res}(f, -i) = \lim_{z \to -i} (z + i) f(z) = \frac{\sin(-i)}{-i(-i - i)} = \frac{\sin i}{2} \neq 0.$
结论:存在非零留数,故 $z = -i$ 是简单极点(一阶极点)。

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