复变函数奇点类型判断与围道积分计算求助
嗨,我来帮你一步步拆解这两个问题,顺便验证你的思路~
a) 函数 $\boldsymbol{f(z)=\frac{\sin(z)}{ez-e{\pi}}}$ 的奇点与围道积分
步骤1:找所有奇点
分母 $e^z - e^\pi = 0$ 时,$e^z = e^\pi$,根据指数函数的周期性,解为 $z = \pi + 2k\pi i$,其中 $k \in \mathbb{Z}$。这些就是函数的所有奇点。
步骤2:判断每个奇点的类型
- 当 $k=0$,即 $z=\pi$:
分子 $\sin(\pi)=0$,分母在 $z=\pi$ 处是一阶零点(因为 $(e^z - e\pi)'|_{z=\pi}=e\pi \neq 0$),分子 $\sin(z)$ 在 $z=\pi$ 处是一阶零点($(\sin z)'|_{z=\pi}=\cos\pi=-1\neq0$)。分子分母的零点阶数相同,因此 $z=\pi$ 是可去奇点(Laurent展开无负幂次项)。 - 当 $k\neq0$,即 $z=\pi+2k\pi i$:
此时 $\sin(z)=\sin(\pi+2k\pi i)=-\sin(2k\pi i)=-i\sinh(2k\pi)\neq0$(双曲正弦不为零),而分母仍是一阶零点,因此这些点都是一阶极点。
步骤3:计算围道积分 $\boldsymbol{\int_{|z|=4}f(z)dz}$
首先看哪些奇点在 $|z|=4$ 内部:
- $z=\pi\approx3.14$,模长小于4,在圆内;
- 其他奇点 $z=\pi+2k\pi i$($k\neq0$),比如 $k=1$ 时,$z=\pi+2\pi i$ 的模长是 $\sqrt{\pi2+(2\pi)2}=\pi\sqrt{5}\approx7.02>4$,同理 $k=-1$ 时模长也大于4,都在圆外。
可去奇点的留数为0(因为Laurent展开无负幂次项),根据留数定理,积分等于 $2\pi i$ 乘以内部奇点的留数之和,即:
$$\int_{|z|=4}f(z)dz=2\pi i \cdot 0=0$$
b) 函数 $\boldsymbol{f(z)=\sin(e^\frac{1}{z})}$ 的奇点与围道积分
步骤1:判断奇点类型
函数唯一的奇点是 $z=0$(因为 $1/z$ 在 $z=0$ 无定义)。我们可以通过Laurent展开来判断:
首先,$e^{1/z}$ 的Laurent展开为:
$$e{1/z}=\sum_{n=0}\infty \frac{1}{n! zn}=1+\frac{1}{z}+\frac{1}{2z2}+\frac{1}{6z^3}+\dots$$
代入 $\sin(w)$ 的泰勒展开 $\sin(w)=\sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k w^{2k+1}}{(2k+1)!}$,展开后会得到无穷多个负幂次项(比如 $\frac{1}{z}$、$\frac{1}{z2}$、$\frac{1}{z3}$…都存在),因此 $z=0$ 是本质奇点,你的判断完全正确!
步骤2:计算围道积分 $\boldsymbol{\int_{|z|=4}f(z)dz}$
这里用变量替换更简便:令 $w=\frac{1}{z}$,则 $dz=-\frac{dw}{w^2}$,当 $z$ 沿 $|z|=4$ 正向绕一周时,$w$ 沿 $|w|=\frac{1}{4}$ 反向绕一周,因此积分变为:
$$\int_{|z|=4}\sin(e{1/z})dz=\int_{|w|=\frac{1}{4}}\sin(ew)\cdot\left(-\frac{dw}{w2}\right)=\int_{|w|=\frac{1}{4}}\frac{\sin(ew)}{w^2}dw$$
(反向积分抵消了负号)
现在,$\sin(e^w)$ 在 $|w|\leq\frac{1}{4}$ 内是解析函数($e^w$ 全平面解析,$\sin$ 也是全平面解析,复合后仍解析),根据柯西积分公式的导数形式:
$$\int_C \frac{g(w)}{(w-a)^{n+1}}dw=\frac{2\pi i}{n!}g^{(n)}(a)$$
这里 $g(w)=\sin(e^w)$,$a=0$,$n=1$,所以:
$$\int_{|w|=\frac{1}{4}}\frac{\sin(ew)}{w2}dw=2\pi i \cdot g'(0)$$
计算 $g'(w)=\cos(e^w)\cdot e^w$,代入 $w=0$ 得 $g'(0)=\cos(e^0)\cdot e^0=\cos(1)$,因此原积分:
$$\int_{|z|=4}\sin(e^{1/z})dz=2\pi i \cos(1)$$
备注:内容来源于stack exchange,提问作者MilesDefis




