设 C 是绕点 z_0 neq 0 的正向简单闭曲线,则 oint_(C) (z^5)/((z-z_0)^3) , mathrm(d)z = ( ).A. 2pi i;B. 20pi z_0^3 i;C. 2pi z_0^5 i;D. 0.
设 $C$ 是绕点 $z_0 \neq 0$ 的正向简单闭曲线,则 $\oint_{C} \frac{z^5}{(z-z_0)^3} \, \mathrm{d}z = ($ $)$. A. $2\pi i$; B. $20\pi z_0^3 i$; C. $2\pi z_0^5 i$; D. $0$.
题目解答
答案
我们来求解复积分:
$\oint_{C} \frac{z^5}{(z - z_0)^3} \, dz$
其中,$ C $ 是绕点 $ z_0 \neq 0 $ 的正向简单闭曲线,即 $ C $ 是一条包围 $ z_0 $ 的闭合曲线,方向为逆时针(正向)。
第一步:分析被积函数的奇点
被积函数为:
$f(z) = \frac{z^5}{(z - z_0)^3}$
这个函数在 $ z = z_0 $ 处有一个三阶极点,因为分母是 $ (z - z_0)^3 $,而分子 $ z^5 $ 在 $ z = z_0 $ 处解析且不为零(因为 $ z_0 \ne 0 $,所以 $ z_0^5 \ne 0 $)。
由于 $ C $ 是包围 $ z_0 $ 的正向简单闭曲线,因此我们可以使用柯西积分公式的高阶导数形式来计算这个积分。
第二步:回忆柯西积分公式(高阶导数形式)
柯西积分公式指出:若 $ f(z) $ 在闭曲线 $ C $ 内及 $ C $ 上解析,则对 $ C $ 内任一点 $ z_0 $,有:
$f^{(n)}(z_0) = \frac{n!}{2\pi i} \oint_C \frac{f(z)}{(z - z_0)^{n+1}} \, dz$
反过来可以写成:
$\oint_C \frac{f(z)}{(z - z_0)^{n+1}} \, dz = \frac{2\pi i}{n!} f^{(n)}(z_0)$
第三步:将原积分与公式对应
原积分是:
$\oint_C \frac{z^5}{(z - z_0)^3} \, dz$
我们可以令 $ f(z) = z^5 $,这是一个整函数(处处解析),所以当然在 $ C $ 内和 $ C $ 上解析。
于是,原积分可以写成:
$\oint_C \frac{f(z)}{(z - z_0)^3} \, dz$
对应于 $ n+1 = 3 $,即 $ n = 2 $。
根据柯西积分公式:
$\oint_C \frac{f(z)}{(z - z_0)^3} \, dz = \frac{2\pi i}{2!} f''(z_0) = \frac{2\pi i}{2} f''(z_0) = \pi i \cdot f''(z_0)$
第四步:计算 $ f(z) = z^5 $ 的二阶导数
$f(z) = z^5 \\ f'(z) = 5z^4 \\ f''(z) = 20z^3$
所以:
$f''(z_0) = 20 z_0^3$
代入积分结果:
$\oint_C \frac{z^5}{(z - z_0)^3} \, dz = \pi i \cdot 20 z_0^3 = 20\pi z_0^3 i$
第五步:选择正确选项
答案是:
$\boxed{20\pi z_0^3 i}$
对应选项为:
B. $ 20\pi z_0^3 i $
✅ 最终答案:
$\boxed{\text{B}}$
解析
本题考查复变函数中的柯西积分公式及其高阶导数形式的应用。解题核心在于识别被积函数的奇点类型,并利用柯西积分公式将积分转化为函数在奇点处的高阶导数计算。
关键点:
- 奇点分析:被积函数在$z_0$处有三阶极点,且积分路径$C$包围该奇点。
- 公式选择:使用柯西积分公式高阶导数形式,将积分转化为计算分子部分的二阶导数。
- 导数计算:对多项式函数$z^5$求二阶导数,代入$z_0$后得到最终结果。
步骤1:识别奇点与适用公式
被积函数为$\frac{z^5}{(z-z_0)^3}$,在$z=z_0$处有三阶极点。积分路径$C$正向包围$z_0$,满足柯西积分公式条件。
步骤2:应用柯西积分公式
柯西积分公式高阶导数形式:
$\oint_C \frac{f(z)}{(z-z_0)^{n+1}} \, dz = \frac{2\pi i}{n!} f^{(n)}(z_0)$
本题中,分母为$(z-z_0)^3$,对应$n+1=3$,即$n=2$。分子$f(z)=z^5$在区域内解析。
步骤3:计算二阶导数
对$f(z)=z^5$求导:
$f'(z)=5z^4, \quad f''(z)=20z^3$
代入$z_0$得:
$f''(z_0)=20z_0^3$
步骤4:代入公式求积分
$\oint_C \frac{z^5}{(z-z_0)^3} \, dz = \frac{2\pi i}{2!} \cdot 20z_0^3 = 20\pi z_0^3 i$