题目
设C为正向圆周|z+1|=2,n为正整数,则积分oint_(c)(dz)/((z-i)^n+1)等于()A (A) 1;B (B) 2πi;C (C) 0;D (D) (1)/(2πi).
设C为正向圆周|z+1|=2,n为正整数,则积分$\oint_{c}\frac{dz}{(z-i)^{n+1}}$等于()
A (A) 1;
B (B) 2πi;
C (C) 0;
D (D) $\frac{1}{2πi}$.
题目解答
答案
这是一道复变函数中的围道积分题目。我们需要计算积分 $\oint_C \frac{dz}{(z-i)^{n+1}}$,其中 $C$ 为正向圆周 $|z+1|=2$,$n$ 为正整数。
推理过程如下:
-
确定积分路径和被积函数的奇点:
- 积分路径 $C$ 是正向圆周 $|z+1|=2$。这是一个以 $z_0 = -1$ 为圆心,半径 $R = 2$ 的圆。
- 被积函数是 $f(z) = \frac{1}{(z-i)^{n+1}}$。该函数唯一的奇点是 $z = i$。
-
判断奇点是否在积分路径内部:
- 我们需要计算奇点 $z = i$ 到圆心 $z_0 = -1$ 的距离。
- 距离 $d = |i - (-1)| = |i + 1| = \sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt{2}$。
- 因为 $\sqrt{2} \approx 1.414 < 2$(圆的半径),所以奇点 $z = i$ 位于圆周 $C$ 的内部。
-
应用柯西积分公式(高阶导数形式):
- 柯西积分公式的导数形式为:$\oint_C \frac{g(z)}{(z-z_0)^{k+1}} dz = \frac{2\pi i}{k!} g^{(k)}(z_0)$,其中 $g(z)$ 在 $C$ 内及 $C$ 上解析,$z_0$ 在 $C$ 内,$k$ 为非负整数。
- 在我们的积分中,可以将被积函数看作 $\frac{g(z)}{(z-i)^{n+1}}$,其中 $g(z) = 1$(常数函数),$z_0 = i$,$k = n$。
- 常数函数 $g(z) = 1$ 在整个复平面上都是解析的,因此它在圆周 $C$ 内部及边界上也是解析的。
- 我们需要计算 $g(z)$ 的 $n$ 阶导数。因为 $g(z) = 1$,所以它的一阶导数 $g'(z) = 0$。
- 题目已知 $n$ 为正整数(即 $n \ge 1$),所以对于任意 $n \ge 1$,$g(z)$ 的 $n$ 阶导数 $g^{(n)}(z) = 0$。
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计算积分值:
- 代入柯西积分公式:
$\oint_C \frac{dz}{(z-i)^{n+1}} = \frac{2\pi i}{n!} g^{(n)}(i)$ - 由于 $g^{(n)}(i) = 0$(因为 $n \ge 1$),所以:
$\oint_C \frac{dz}{(z-i)^{n+1}} = \frac{2\pi i}{n!} \cdot 0 = 0$
- 代入柯西积分公式:
结论:
经过计算,该积分的值为 $0$。对比选项,这与选项 (C) 一致。
正确答案是 (C)。
解析
本题考查复变函数中的围道积分知识,解题思路是先确定积分路径和被积函数的奇点,再判断奇点是否在积分路径内部,最后根据柯西积分公式(高阶导数形式)计算积分值。
- 确定积分路径和被积函数的奇点:
- 积分路径 $C$ 是正向圆周 $|z + 1| = 2$,这是一个以 $z_0=-1$ 为圆心,半径 $R = 2$ 的圆。
- 被积函数 $f(z)=\frac{1}{(z - i)^{n + 1}}$,其唯一的奇点是 $z = i$。
- 判断奇点是否在积分路径内部:
- 计算奇点 $z = i$ 到圆心 $z_0=-1$ 的距离 $d$,根据复数的模的计算公式,若 $z=a+bi$,则 $|z|=\sqrt{a^2 + b^2}$,可得 $d = |i-(-1)|=|i + 1|=\sqrt{1^2+1^2}=\sqrt{2}$。
- 因为 $\sqrt{2}\approx1.414\lt{}2$(圆的半径),所以奇点 $z = i$ 位于圆周 $C$ 的内部。
- 应用柯西积分公式(高阶导数形式):
- 柯西积分公式的导数形式为 $\oint_{C}\frac{g(z)}{(z - z_0)^{k + 1}}dz=\frac{2\pi i}{k!}g^{(k)}(z_0)$,其中 $g(z)$ 在 $C$ 内及 $C$ 上解析,$z_0$ 在 $C$ 内,$k$ 为非负整数。
- 在本题积分中,可将被积函数看作 $\frac{g(z)}{(z - i)^{n + 1}}$,其中 $g(z)=1$(常数函数),$z_0 = i$,$k = n$。
- 常数函数 $g(z)=1$ 在整个复平面上都是解析的,所以它在圆周 $C$ 内部及边界上也是解析的。
- 计算 $g(z)$ 的 $n$ 阶导数,因为 $g(z)=1$,其一阶导数 $g^{\prime}(z)=0$,又因为 $n$ 为正整数(即 $n\geq1$),所以对于任意 $n\geq1$,$g(z)$ 的 $n$ 阶导数 $g^{(n)}(z)=0$。
- 计算积分值:
- 将 $g^{(n)}(i) = 0$ 代入柯西积分公式 $\oint_{C}\frac{dz}{(z - i)^{n + 1}}=\frac{2\pi i}{n!}g^{(n)}(i)$,可得 $\oint_{C}\frac{dz}{(z - i)^{n + 1}}=\frac{2\pi i}{n!}\times0 = 0$。