题目
下列哪些函数在单位圆周 |z|=1 上的积分为零?A. f(z)=(1)/(z)B. f(z)=z^2C. f(z)=sin zD. f(z)=(1)/(z^2)
下列哪些函数在单位圆周 $|z|=1$ 上的积分为零?
A. $f(z)=\frac{1}{z}$
B. $f(z)=z^2$
C. $f(z)=\sin z$
D. $f(z)=\frac{1}{z^2}$
题目解答
答案
BCD
B. $f(z)=z^2$
C. $f(z)=\sin z$
D. $f(z)=\frac{1}{z^2}$
B. $f(z)=z^2$
C. $f(z)=\sin z$
D. $f(z)=\frac{1}{z^2}$
解析
本题考查复变函数沿闭合曲线的积分,主要运用柯西积分定理和柯西积分公式来判断函数在单位圆周 $|z| = 1$ 上的积分是否为零。
柯西积分定理
如果函数 $f(z)$ 在单连通区域 $D$ 内解析,$C$ 为 $D$ 内的任意一条简单闭合曲线,那么 $\oint_{C} f(z) dz = 0$。
柯西积分公式
设 $f(z)$ 在简单闭合曲线 $C$ 所围成的区域 $D$ 内解析,在 $\overline{D}=D + C$ 上连续,$z_0$ 是 $C$ 内的一点,则 $\oint_{C} \frac{f(z)}{z - z_0} dz = 2\pi i f(z_0)$。
对各选项的分析
- 选项A:$f(z)=\frac{1}{z}$
函数 $f(z)=\frac{1}{z}$ 在 $z = 0$ 处不解析,而单位圆周 $|z| = 1$ 所围成的区域包含 $z = 0$ 这一点。
根据柯西积分公式,此时 $f(z)=1$,$z_0 = 0$,则 $\oint_{|z| = 1} \frac{1}{z} dz = 2\pi i f(0)=2\pi i\times1 = 2\pi i\neq 0$。 - 选项B:$f(z)=z^2$
函数 $f(z)=z^2$ 是一个整函数,即在整个复平面上都是解析的。
单位圆周 $|z| = 1$ 是复平面内的一条简单闭合曲线,根据柯西积分定理,$\oint_{|z| = 1} z^2 dz = 0$。 - 选项C:$f(z)=\sin z$
函数 $f(z)=\sin z$ 也是一个整函数,在整个复平面上解析。
同样根据柯西积分定理,对于单位圆周 $|z| = 1$,有 $\oint_{|z| = 1} \sin z dz = 0$。 - 选项D:$f(z)=\frac{1}{z^2}$
函数 $f(z)=\frac{1}{z^2}$ 在 $z = 0$ 处不解析,但我们可以使用高阶导数公式来计算积分。
高阶导数公式为:设 $f(z)$ 在简单闭合曲线 $C$ 所围成的区域 $D$ 内解析,在 $\overline{D}=D + C$ 上连续,$z_0$ 是 $C$ 内的一点,则 $f^{(n)}(z_0)=\frac{n!}{2\pi i}\oint_{C} \frac{f(z)}{(z - z_0)^{n + 1}} dz$,变形可得 $\oint_{C} \frac{f(z)}{(z - z_0)^{n + 1}} dz=\frac{2\pi i}{n!}f^{(n)}(z_0)$。
对于 $f(z)=\frac{1}{z^2}$,可写成 $\frac{f(z)}{(z - 0)^{2}}$ 的形式,这里 $n = 1$,$f(z)=1$,$f^\prime(z)=0$。
则 $\oint_{|z| = 1} \frac{1}{z^2} dz=\frac{2\pi i}{1!}f^\prime(0)=2\pi i\times0 = 0$。