4. The singular points of the function f(z)=(sin z)/(z(z^2)+1) are
题目解答
答案
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:
- 奇点位置:函数的奇点由分母为零的点确定,即解方程 $z(z^2 + 1) = 0$。
- 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)。