题目
3.6 计算oint_(c)(1)/(z^2)-zdz,其中C为圆周|z|=2.
3.6 计算$\oint_{c}\frac{1}{z^{2}-z}dz$,其中C为圆周|z|=2.
题目解答
答案
将被积函数分解为部分分式:
$\frac{1}{z^2 - z} = \frac{1}{z-1} - \frac{1}{z}$
利用柯西积分公式,对圆周 $C: |z| = 2$,有:
$\oint_C \frac{1}{z-1} \, dz = 2\pi i, \quad \oint_C \frac{1}{z} \, dz = 2\pi i$
因此,原积分化简为:
$\oint_C \left( \frac{1}{z-1} - \frac{1}{z} \right) \, dz = 2\pi i - 2\pi i = 0$
或者,由留数定理,函数在圆内极点的留数和为0,积分值为0。
答案: $\boxed{0}$
解析
本题考查复变函数中的柯西积分公式和留数定理的应用。解题思路是先将被积函数分解为部分分式,然后分别利用柯西积分公式计算各部分分式的积分,最后将结果相减得到原积分的值;也可以通过留数定理,计算函数在积分路径所围区域内极点的留数之和,进而得到积分值。
- 将被积函数分解为部分分式:
已知被积函数$f(z)=\frac{1}{z^{2}-z}$,对分母进行因式分解可得$z^{2}-z = z(z - 1)$。
设$\frac{1}{z(z - 1)}=\frac{A}{z}+\frac{B}{z - 1}$,通分得到$\frac{1}{z(z - 1)}=\frac{A(z - 1)+Bz}{z(z - 1)}$。
则$1 = A(z - 1)+Bz=(A + B)z - A$。
由此可得方程组$\begin{cases}A + B = 0\\-A = 1\end{cases}$,解方程组:
由$-A = 1$可得$A = -1$,将$A = -1$代入$A + B = 0$,可得$-1 + B = 0$,解得$B = 1$。
所以$\frac{1}{z^{2}-z}=\frac{1}{z - 1}-\frac{1}{z}$。 - 利用柯西积分公式计算积分:
柯西积分公式为$\oint_{C}\frac{f(z)}{z - z_0}dz = 2\pi i f(z_0)$,其中$C$为正向简单闭曲线,$z_0$在$C$所围区域内,$f(z)$在$C$所围区域内解析。
对于$\oint_{C}\frac{1}{z - 1}dz$,这里$f(z)=1$,\\(z_0 = 1\),因为$|1| = 1\lt 2$,即$z_0 = 1$在圆周$C:|z| = 2$所围区域内,所以$\oint_{C}\frac{1}{z - 1}dz = 2\pi i\times1 = 2\pi i$。
对于$\oint_{C}\frac{1}{z}dz$,这里$f(z)=1$,$z_0 = 0$,因为$|0| = 0\lt 2$,即$z_0 = 0$在圆周$C:|z| = 2$所围区域内,所以$\oint_{C}\frac{1}{z}dz = 2\pi i\times1 = 2\pi i$。 - 计算原积分的值:
$\oint_{C}\frac{1}{z^{2}-z}dz=\oint_{C}(\frac{1}{z - 1}-\frac{1}{z})dz=\oint_{C}\frac{1}{z - 1}dz-\oint_{C}\frac{1}{z}dz=2\pi i - 2\pi i = 0$。 - 利用留数定理验证:
留数定理为$\oint_{C}f(z)dz = 2\pi i\sum_{k = 1}^{n}\text{Res}[f(z),z_k]$,其中$C$为正向简单闭曲线,$z_k$为$f(z)$在$C$所围区域内的孤立奇点。
函数$f(z)=\frac{1}{z^{2}-z}$的奇点为$z = 0$和$z = 1$,这两个奇点都在圆周$C:|z| = 2$所围区域内。
计算$f(z)$在$z = 0$处的留数$\text{Res}[f(z),0]$:
$f(z)=\frac{1}{z(z - 1)}=\frac{\frac{1}{z - 1}}{z}$,根据留数的定义,$\text{Res}[f(z),0]=\lim_{z\to0}z\cdot f(z)=\lim_{z\to0}\frac{1}{z - 1}=-1$。
计算$f(z)$在$z = 1$处的留数$\text{Res}[f(z),1]$:
$f(z)=\frac{1}{z(z - 1)}=\frac{\frac{1}{z}}{z - 1}$,根据留数的定义,$\text{Res}[f(z),1]=\lim_{z\to1}(z - 1)\cdot f(z)=\lim_{z\to1}\frac{1}{z}=1$。
则$\sum_{k = 1}^{2}\text{Res}[f(z),z_k]=\text{Res}[f(z),0]+\text{Res}[f(z),1]=-1 + 1 = 0$。
所以$\oint_{C}\frac{1}{z^{2}-z}dz = 2\pi i\times0 = 0$。