试证:在将z平面适当割开后,函数 f(z)=sqrt [3]((1-z){z)^2} 能分出三个单值解析分支.并求出在点z=2取负值的那个分支在z=i的值.

题目解答
答案
(1)f(z)的支点为z=0,z=1.将z平面沿[0,1]割破,则变点z既不能单独绕0或1转一周.于是,在这样割破了的2平面上任一区域G内,f(z)就能分出3个单值解析分支.(2)当z=2时,θ1=π,θ2=0,r1=1,r2=2,由已知条件argfk(z)=π定k,k=1,然后计算f1(i)=-
解析
考查要点:本题主要考查复变函数中多值函数的分支切割、单值解析分支的构造,以及特定分支在指定点的值的计算。
解题核心思路:
- 确定支点:函数$f(z)=\sqrt[3]{(1-z)z^2}$的支点由被开根号表达式$(1-z)z^2$的零点和无穷点决定,即$z=0$和$z=1$。
- 分支切割:沿线段$[0,1]$割开复平面,使得变点$z$无法绕支点单独旋转一周,从而构造单值解析分支。
- 分支数目:三次根号函数有$3$个分支,对应不同的幅角选择。
- 特定分支的确定:通过$z=2$处取负值的条件,确定对应分支的幅角参数,进而计算该分支在$z=i$处的值。
破题关键点:
- 支点与分支切割:正确识别支点并选择合理的切割路径。
- 分支参数的选择:通过$z=2$处的幅角条件确定分支序号$k$。
- 复数根的计算:结合极坐标形式计算三次根号的模和幅角。
1. 分析支点与分支切割
函数$f(z)=\sqrt[3]{(1-z)z^2}$的被开根号部分$(1-z)z^2$在$z=0$和$z=1$处为零,因此支点为$z=0$和$z=1$。
沿线段$[0,1]$割开复平面后,变点$z$无法绕$0$或$1$单独旋转一周,从而消除多值性。此时,函数在割破平面上可分出3个单值解析分支。
2. 确定$z=2$处取负值的分支
当$z=2$时,$(1-z)z^2 = -4$,其幅角为$\pi$。三次根号的三个分支对应幅角为:
$\text{arg}\,f_k(z) = \frac{\pi + 2k\pi}{3}, \quad k=0,1,2.$
要求$f_k(2)$取负值,需满足$\text{arg}\,f_k(2) = \pi$,解得$k=1$(此时幅角为$\pi$)。因此,目标分支为$k=1$。
3. 计算$z=i$处的值
当$z=i$时,计算$(1-i)i^2$:
$(1-i)i^2 = (1-i)(-1) = -1 + i.$
其极坐标形式为:
- 模:$r = \sqrt{(-1)^2 + 1^2} = \sqrt{2}$,
- 幅角:$\theta = \frac{3\pi}{4}$(第二象限)。
三次根号的模为$r^{1/3} = (\sqrt{2})^{1/3} = 2^{1/6}$,幅角为:
$\frac{\theta + 2\pi k}{3} = \frac{3\pi/4 + 2\pi \cdot 1}{3} = \frac{11\pi}{12}.$
因此,分支$f_1(i)$的值为:
$f_1(i) = 2^{1/6} \left[ \cos\left(\frac{11\pi}{12}\right) + i \sin\left(\frac{11\pi}{12}\right) \right].$