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本文格式为Word版,下载可任意编辑——复变函数习题答案习题一
1.用复数的代数形式a+ib表示以下复数
e?iπ/4;3?5i7i?1;(2?i)(4?3i);1i?31?i.
①解:e?π4i2?2?π??π??cos????isin????????22?4??4???22i???i?22?②解:
3?5i7i?1??3?5i??1?7i??1+7i??1?7i???1625?1325i
③解:?2?i??4?3i??8?3?4i?6i?5?10i④解:
1i?31?i=?i?3?1?i?2?32?52i
2.求以下各复数的实部和虚部(z=x+iy)
3???1?i3?n3??1?i(a?);z;??;??;i.z?a?2??2?z?a33
①解:∵设z=x+iy则
z?az?a??x?iy??a?x?iy??a2??x?a??iy?x?a??iy22????x?a??iy?????x?a??iy???x?a?2?y2
x?a?y?z?a??∴Re??22?z?a??x?a??y,Im??z?a????z?a?2xy?x?a?2?y2.
②解:设z=x+iy
∵z3??x?iy???x?iy??x?iy???x2?y2?2xyi??x?iy?
?x?x?y23232??2xy22222??y?x?y??2xy?i??3?x?3xy??3xy?y2?i3
∴Re?z3??x3?3xy2,
3Im?z??3x2y?y.
3??1?i3??③解:∵????2????1?i38?31???1?3???1???8???3?22???3???1??????3??3?3????
?18?8?0i??1
∴Re???1?i3??1,???2??3??1?i3?Im??0.???2???3???1???3??1?3??22??3???1??3??3?3?i④解:∵???1?i3???????2??8
?18?8?0i??1
∴Re??1?i3???1,Im?????1?i3??2?????0.?2???in???1?k⑤解:∵?,n?2k?n?2k?1k??.
?k???1??i,∴当n?2k时,Re?in????1?k,Im?in??0;
当n?2k?1时,Re?in??0,Im?in????1?k.
3.求以下复数的模和共轭复数
?2?i;?3;(2?i)(3?2i);
①解:?2?i?4?1?5.
?2?i??2?i
②解:?3?3
?3??3
③解:?2?i??3?2i??2?i3?2i?5?13?65.
?2?i??3?2i???2?i???3?2i???2?i???3?2i??4?7i④解:
1?i?1?i?2222
?1?i????1?i?1?i?2??2?2
4、证明:当且仅当z?z时,z才是实数.证明:若z?z,设z?x?iy,
则有x?iy?x?iy,从而有?2y?i?0,即y=0
??
1?i2.
∴z=x为实数.
若z=x,x∈?,则z?x?x.∴z?z.命题成立.
≤5、设z,w∈?,证明:z?w
2z?w
证明:∵z?w??z?w???z?w???z?w??z?w?
?z?z?z?w?w?z?w?w
?z?z≤2?zw?z?w?w?w22??2Re?z?w??2z?w?2z?w
?2
z2?w?w?w2
?z?22?z?2∴z?w≤z?w.
6、设z,w∈?,证明以下不等式.
z?wz?w2?z?z2?2Rez?w?w?2Rez?w?w2??2
22??2z?w2?z?w?2z?2?w2?
2并给出最终一个等式的几何解释.
证明:z?w?z?2Re?z?w??w在上面第五题的证明已经证明白.
22下面证z?w?z?2Re?z?w??w.
222
∵z?w??z?w???z?w???z?w??z?w?
2?z2?z?w?w?z?w2
2?z2?2Rez?w?w2??2.从而得证.
∴z?w?z?w?2z?w?22?
几何意义:平行四边形两对角线平方的和等于各边的平方的和.
7.将以下复数表示为指数形式或三角形式
3?5i7i?1;i;?1;?8π(1?3i);2π2π??cos?isin??.
99??3①解:
3?5i7i?1??3?5i??1?7i?
?1?7i??1?7i??175?ei???38?16i50?19?8i25其中??π?arctan819.
②解:i?ei??其中??
iπ2π2.
i?e
23③解:?1?eiπ?eπi
④解:?8π?1?3i??16π???π.
∴?8π?1?3i??16π?e3?23πi
2π2π???isin⑤解:?cos?99??2π2π???isin?cos?99??3解:∵?1.
i?π.32π2π??9?isin?1?e?e∴?cos?99??322π3i
8.计算:(1)i的三次根;(2)-1的三次根;(3)3?⑴i的三次根.
13i的平方根.
解:3i??cos??π2?isinπ?3??cos2?2kπ?3π2?isin2kπ?3π2?k56?0,1,2?
3?12i
∴z1?cos
z3?cosπ696?isinπ6?96132?12i.z2?cos3?12i
56π?isinπ??2
π?isinπ??2⑵-1的三次根
解:?1??cosπ?isinπ?3?cos32kπ+π33i
?isin2kπ?π3?k?0,1,2?
∴z1?cos
π3?isinπ3?12?2z2?cosπ?isinπ??1
z3?cos53π?isin53π??12?32i
⑶3?3i的平方根.解:3??223i=6????22??i????12π6?e4
i
∴3?13i??π6?e4i?ππ??2kπ?2kπ??4?isin4??64??cos??22?11π?k?0,1?
iππ??∴z1?6??cos?isin??64?e888??411
9
πi99??z2?6??cosπ?isinπ??64?e8.
88??49.设z?e
i2πnn?1?0,n?2.证明:1?z???z证明:∵z?e
i?2πn∴zn?1,即zn?1?0.
∴?z?1??1?z???zn?1??0
又∵n≥2.∴z≠1
从而1?z?z2+??zn?1?0
11.设?是圆周{z:z?c?r},r?0,a?c?rei?.令
???z?a?L???z:Im???0?,
?b???其中b?e.求出L?在a切于圆周?的关于?的充分必要条件.
解:如下图.
i?
由于L?={z:Im??z?a???b?=0}表示通过点a且方向与b同向的直线,要使得直线在a处与
圆相切,则CA⊥L?.过C作直线平行L?,则有∠BCD=β,∠ACB=90°
故α-β=90°
所以L?在α处切于圆周T的关于β的充要条件是α-β=90°.
12.指出以下各式中点z所确定的平面图形,并作出草图.
(1)argz?π;(2)z?1?z;(3)1?z?i|?2;(4)Rez?Imz;(5)Imz?1且z?2.
解:
(1)、argz=π.表示负实轴.
(2)、|z-1|=|z|.表示直线z=
12.
(3)、1Imz.
解:表示直线y=x的右下半平面
5、Imz>1,且|z|f?(z)?(z?2)?(z?1)(z?1)?(z?1)[(z?1)(z?1)]?(z?1)(z?1)?2z?5z?4z?3(z?1)(z?1)3z?85z?7752223222222
?(3)f(z)?.
3(5z?7)?(3z?8)5(5z?7)2解:f(z)除z=(4)f(z)?外四处可导,且f?(z)??ix?yx?y22??61(5z?7)2.
x?yx?y22.
x?iy?i(x?iy)x?y22解:由于f(z)?x?y?i(x?y)x?y22??(x?iy)(1?i)x?y22?z(1?i)z2?1?iz.
所以f(z)除z=0外四处可导,且f?(z)??
6.试判断以下函数的可导性与解析性.(1)f(z)?xy2?ix2y;
(1?i)z2.
解:u(x,y)?xy2,v(x,y)?x2y在全平面上可微.
?y?x?y,2?u?y?u?x?2xy,??v?y?v?x?u?y?2xy,?v?x?v?y?x2
所以要使得,
??,
只有当z=0时,
从而f(z)在z=0处可导,在全平面上不解析.(2)f(z)?x2?iy2.
解:u(x,y)?x2,v(x,y)?y2在全平面上可微.
?u?x?2x,?u?y?0,?v?x?0,??v?y?v?u?y?y?2y??.
只有当z=0时,即(0,0)处有
?u?x,
?v?y所以f(z)在z=0处可导,在全平面上不解析.(3)f(z)?2x3?3iy3;
解:u(x,y)?2x3,v(x,y)?3y3在全平面上可微.
?u?x?6x,2?u?y?0,?v?x?9y,2?v?y?0
所以只有当2x??3y时,才满足C-R方程.
从而f(z)在2x?3y?0处可导,在全平面不解析.(4)f(z)?z?z2.
解:设z?x?iy,则f(z)?(x?iy)?(x?iy)2?x3?xy2?i(y3?x2y)
3232u(x,y)?x?xy,v(x,y)?y?xy
?u?x?3x?y,22?u?y?2xy,?v?x?2xy,?v?y?3y?x22
所以只有当z=0时才满足C-R方程.从而f(z)在z=0处可导,四处不解析.
7.证明区域D内满足以下条件之一的解析函数必为常数.(1)f?(z)?0;
证明:由于f?(z)?0,所以
?u?x??u?y?0,
?v?x??v?y?0.
所以u,v为常数,于是f(z)为常数.
(2)f(z)解析.
证明:设f(z)?u?iv在D内解析,则
?u?x?u?y?u?x??(?v)?y??u?x???v?y
???(?v)?x?v?y,???u?y?v?y?
?v?x??
?u?x?v?y??u?y,?u?y??u?y???v?x?v?x?而f(z)为解析函数,所以所以
?v?x???v?x,?v?y??
?v?y?0,即
?u?x?
从而v为常数,u为常数,即f(z)为常数.
(3)Ref(z)=常数.
证明:由于Ref(z)为常数,即u=C1,由于f(z)解析,C-R条件成立。故从而f(z)为常数.
(4)Imf(z)=常数.
?u?x?u?x???u?y?0?0
?u?y即u=C2
证明:与(3)类似,由v=C1得由于f(z)解析,由C-R方程得所以f(z)为常数.
5.|f(z)|=常数.
?u?x?v?x???u?y?v?y?0
?0,即u=C2
证明:由于|f(z)|=C,对C进行探讨.若C=0,则u=0,v=0,f(z)=0为常数.
若C?0,则f(z)?0,但f(z)?f(z)?C2,即u2+v2=C2则两边对x,y分别求偏导数,有
2u??u?x?2v??v?x?0,2u??u?y?2v??v?y?0
利用C-R条件,由于f(z)在D内解析,有
?u?x??v?y?u?y???v?x
?u?v?u??v??0???x?x所以?
?u?v?v??u??0??x??x所以
?u?x?0,?v?x?0
即u=C1,v=C2,于是f(z)为常数.
(6)argf(z)=常数.
证明:argf(z)=常数,即arctan???C,
?u??v?于是
??u?得??u??(v/u)?1?(v/u)???v?x?v?y?2u?(u??2?v?x?x222u(u?v)?v??u)?u(u22?v?y2?v?u?y2)?0
u(u?v)?u????u?????v?x?v?x?v??v??u?x?u?x?v??v??v?x?u?x?u?y??0?0C-R条件→
?0?v?y?0,即
?0解得
?u?x?u?y?u,v为常数,于是f(z)为常数.
8.设f(z)=my3+nx2y+i(x3+lxy2)在z平面上解析,求m,n,l的值.
解:由于f(z)解析,从而满足C-R条件.
?u?x?v?x?u?x?2nxy,22?u?y?3my?nx?v?y22
?3x?ly,?v?y?n?l
?2lxy
??u?y???v?x?n??3,l??3m
所以n??3,l??3,m?1.
9.试证以下函数在z平面上解析,并求其导数.(1)f(z)=x3+3x2yi-3xy2-y3i
证明:u(x,y)=x3-3xy2,v(x,y)=3x2y-y3在全平面可微,且
?u?x?3x?3y,22?u?y??6xy,?v?x?6xy,?v?y?3x?3y22
所以f(z)在全平面上满足C-R方程,四处可导,四处解析.
f?(z)??u?x?i?v?x?3x?3y?6xyi?3(x?y?2xyi)?3z22222.
(2)f(z)?ex(xcosy?ysiny)?iex(ycosy?xsiny).证明:u(x,y)?ex(xcosy?ysiny),?u?x?u?yxxxv(x,y)=e(ycosy?xsiny)四处可微,且
x?e(xcosy?ysiny)?e(cosy)?e(xcosy?ysiny?cosy)?e(?xsiny?siny?ycosy)?e(?xsiny?siny?ycosy)xxxxx
?v?x?v?y?e(ycosy?xsiny)?e(siny)?e(ycosy?xsiny?siny)?e(cosy?y(?siny)?xcosy)?e(cosy?ysiny?xcosy)?u?x??v?yxx
所以,
?u?y???v?x
所以f(z)四处可导,四处解析.
f?(z)??u?xxz?i?v?xz?e(xcosy?ysiny?cosy)?i(e(ycosy?xsiny?siny))xxxxxxx?ecosy?iesiny?x(ecosy?iesiny)?iy(ecosy?iesiny)?e?xe?iye?e(1?z)zz
?x3?y3?i?x3?y3?,?2210.设f?z???x?y?0.?z?0.z?0.
求证:(1)f(z)在z=0处连续.
(2)f(z)在z=0处满足柯西—黎曼方程.
(3)f′(0)不存在.
z?0证明.(1)∵limf(z)?而
limu?x,y???x,y???0,0?limu?x,y??iv?x,y?
332?x,y???0,0??x,y???0,0?limx?yx?y2
∵
xy???x?y?1???2222??x?yx?y??x?yx?y3x?y33332∴0≤2≤32x?y
∴
?x,y???0,0?limx?yx?y32232?032
同理∴
?x,y???0,0?limx?yx?y?0?x,y???0,0?limf?z??0?f?0?
∴f(z)在z=0处连续.
(2)考察极限limz?0f(z)?f?0?z
当z沿虚轴趋向于零时,z=iy,有
lim1iyy?0????lim??f?iy??f0?y?01iy?3?y?1?i?y2?1?i.
当z沿实轴趋向于零时,z=x,有
lim1xx?0?f?x??f?0???1?i
?u?x?i??v?x,?v?y?i?u?y它们分别为∴
?u?x??v?y,
?u?y???v?x
∴满足C-R条件.
(3)当z沿y=x趋向于零时,有
x?y?0limf?x?ix??f?0,0?x?ix?f?z?lim33x?1?i??x?1?i?32x?1?i?x?y?0?i1?i
∴lim
不存在.即f(z)在z=0处不可导.
z?0
11.设区域D位于上半平面,D1是D关于x轴的对称区域,若f(z)在区域D内解析,求证
F?z??f?z?在区域D1内解析.
证明:设f(z)=u(x,y)+iv(x,y),由于f(z)在区域D内解析.所以u(x,y),v(x,y)在D内可微且满足C-R方程,即
?u?x??v?y,?u?y???v?x.
f?z??u?x,?y??iv?x,?y????x,y??i??x,y?,得
???x???x??u?x,?y??x
???y??u?x,?y??y???u?x,?y??y
???v?x,?y??x
???y???v?x,?y??y??v?x,?y??y
???y???y???x故φ(x,y),ψ(x,y)在D1内可微且满足C-R条件从而f?z?在D1内解析
13.计算以下各值
(1)e2+i=e2?ei=e2?(cos1+isin1)
2??i2???x?,??
(2)e3?e3?eπ?i3??π??π???e3??cos????isin?????e3?3??3???22?13????22?i??(3)Reex?x?iy2?y2?2
?yx?y22?Ree?xx?y2i?e??2x2x?y?Re?e??x?yy????????cos??2?isin?2??x2?y2????x?y????????ex?y22y???cos?22??x?y?(4)ei?2?x?iy??ei?e?2?x?iy?
?e?2x?e?2iy?e?2x
14.设z沿通过原点的放射线趋于∞点,试探讨f(z)=z+e的极限.解:令z=reiθ,
对于?θ,z→∞时,r→∞.
??故lim?rei??ere??lim?rei??ercos??isin????.
i?z
r??r??所以limf?z???.
z??
15.计算以下各值.
(1)ln??2?3i?=ln13?iarg??2?3i??ln13?i?π?arctan??3??2?(2)ln?3?3i??ln23?iarg?3?3i??ln23?i????π?π??ln23?i6?6
(3)ln(ei)=ln1+iarg(ei)=ln1+i=i
(4)ln?ie??lne?iarg?ie??1?π2i
16.试探讨函数f(z)=|z|+lnz的连续性与可导性.
解:显然g(z)=|z|在复平面上连续,lnz除负实轴及原点外四处连续.设z=x+iy,g(z)?|z|?u?x,y???u?x?v?x22x?y?u?x,y??iv?x,y?
22x?y,v?x,y??0在复平面内可微.
?12?12?x2?y2??2x?xx?y22?u?y?yx?y22
?0?v?y?0
故g(z)=|z|在复平面上四处不可导.
从而f(x)=|z|+lnz在复平面上四处不可导.f(z)在复平面除原点及负实轴外四处连续.
17.计算以下各值.(1)?1?i??e?e?eln21?i?eπ4ln?1?i?1?i?e2i??2???1?i??ln?1?i??e?1?i????ln?2?π4?i?2kπi??
?π4π4i?ln?eπ4?2kπln2??2kπ?πi??ln?4ln2??2kπ??π??cos??ln?4???π??cos??ln?4?5??π2??isin??ln??4??π2??isin??ln??4??2??????2?????2?e2kπ?π4(2)??3??e?e?35?eln??3??e5?ln??3?
5??ln3?i?π?2kπi??e5ln3?5i?π?2kπ5i5?ln3?cos?2k?1?π5?isin?2k?1?π5?5?isin?2k?1?π5???5??cos?2k?1?π??i(3)1?i?eln1?e?iln1?e?i?ln1?i?0?2kπi
?e?i??2kπi??e2kπ1?i?1?i?(4)???2?1?i?e?1?i?ln???2??e?1?i?ln???1?i??2??e?e?π???1?i???ln1?i?????2kπi??4???π4π4π?e?2kππ??1?i???2kπi?i??4?π??i?2kπ???4?2kπi?i?2kπ??e4?e
π?e4π?2kπ?π?π????cos?isin????4?4????22????22?i???e4?2kπ
18.计算以下各值(1)cos?π?5i????e?5ei?π?5i??e2?5?i?π?5i??5e5iπ?5?e2?5?iπ?5
??ch55?e??1?2??e?e2??e?e2i?5(2)sin?1?5i????ei?1?5i??e2i2i?i?1?5i??e?e2i?i?5
5?5e?cos1?isin1??e??cos1?isin1?e?e25?5?sin1?i?e?e25?5cos1i?3?i?e?e?i?3?i?(3)tan?3?i??sin?3?i?cos?3?i??ei?3?i?sin6?isin22i????i3?i22?e2?ch1?sin3?2i
(4)sinz?212i2??e2?y?xi?ey?xi??sinx?chy?icosx?shy2
22?sinx?chy?cosx?shy222222?sinx??chy?shy???cosx?sinx??shy2?sinx?shy22(5)arcsini??iln?i?1?i2???iln?1?2???i?ln?2?1??i2kπ???????????i?ln?2?1??i?π?2kπ??k?0,?1,?
(6)arctan?1?2i???ln2?kπ?i1?i?1?2i?i?21????ln???i?1?i?1?2i?2?55?arctan2?i4?ln5
1219.求解以下方程
(1)sinz=2.
解:z?arcsin2?ln?2i?3i???ln???2?3?i??
i???i?ln?2??1???3???2k??πi??2??3?,k?0,?1,?11????2k??π?iln?2??2?(2)ez?1?3i?0
解:ez?1?3i即z?ln?1?3i??ln2?i1???ln2??2k??πi3??π3?2kπi
(3)lnz?π2i
π解:lnz?π2i即z?e2?i
i(4)z?ln?1?i??0解:z?ln?1?i??ln2?i?
20.若z=x+iy,求证(1)sinz=sinxchy+icosx?shy证明:sinz??e?e2i12i.?eiz?izπ4?2kπi?ln1??2??2k??πi.?4??ei?x?iy??e2i??x?yi??i
?y?xi?ey?xi??sinx?chy?icosx.shy(2)cosz=cosx?chy-isinx?shy证明:cosz????e?e21212iz?iz?12??ei?x?yi??e?i?x?yi??
?e?y?xi?ey?xi??e?y??cosx?isinx??ey.?cosx?isinx??y?y?yy??e?e?.cosx??isinx.??2?e?e2?cosx.chy?isinx.shy(3)|sinz|=sinx+shy证明:sinz?sinz2222
12i?e?y?xi?ey?xi??sinx?chy?icosx?shy
2222?sinxchy?cosx.shy222222?sinx?chy?shy???cosx?sinx?shy
?sinx?shy22(4)|cosz|2=cos2x+sh2y
证明:cosz?cosxchy?isinxshy
cosz2?cosx.chy?sinx.shy222222?cosx?chy?shy???cosx?sinx?.shy2222
?cosx?shy22
21.证明当y→∞时,|sin(x+iy)|和|cos(x+iy)|都趋于无穷大.证明:sinz?
∴sinz?e?y?xi12i?eiz?e?iz??1??e?y?xi?ey?xi?
2i12?e?y?y?xi?ey?xi
y?e≥ey?xi?e
而sinz12?e?y?xi-y
?ey?xi??1?e?y2y
y?e?
当y→+∞时,e-y→0,ey→+∞有|sinz|→∞.当y→-∞时,e→+∞,e→0有|sinz|→∞.
12e?y?xi同理得cos?x?iy???ey?xi≥12?e?y?ey?
所以当y→∞时有|cosz|→∞.
习题三
1.计算积分?(x?y?ix)dz,其中C为从原点到点1+i的直线段.
C2解设直线段的方程为y?x,则z?x?ix.0?x?1
??x?y?ix?dz???x?y?ix?d(x?ix)2201故
C??10ix(1?i)dx?i(1?i)?213x310?i3(1?i)?i?13
2.计算积分?(1?z)dz,其中积分路径C为
C(1)从点0到点1+i的直线段;
(2)沿抛物线y=x2,从点0到点1+i的弧段.
解(1)设z?x?ix.0?x?1
??1?z?dz???10C1?x??ix(d?x)ix?i(2)设z?x?ix2.0?x?1
??1?z?dz?C?10?1?x?ix2?d(x?ix)?22i3
3.计算积分?zdz,其中积分路径C为
C(1)从点-i到点i的直线段;
(2)沿单位圆周|z|=1的左半圆周,从点-i到点i;
(3)沿单位圆周|z|=1的右半圆周,从点-i到点i.
解(1)设z?iy.?1?y?1
?Czdz??1?1ydiy?i?ydy?i
?11(2)设z?ei?.?从
?i?3?2?到
?2
?Czdz??23?21de?i?32?de2i??2i
(3)设z?ei?.?从
?i?3?2到
?2
?Czdz???1de223?2i
6.计算积分??解
C?z?e?sinz?dz,其中C为
zz?a?0.
???zC?e?sinz?dz?z??Czdz???Ce?sinzdz
zz∵e?sinz在z?a所围的区域内解析
z∴??e?sinzdz?0
C从而
???zC?e?sinz?dz?z2?0??Czdz??2?0adaei?
?ai?2ed??0i?故??
C?z?e?sinz?dz?0
z7.计算积分??1z(z?1)2Cdz,其中积分路径C为
12(1)
C1:z?12(2)C212:z?32
(3)C13:z?i?(4)C4:z?i?32
解:(1)在
z?所围的区域内,
z(z?1)112只有一个奇点z?0.
??1z(z?1)2Cdz???C1(1z?12z?i?1?2z?i?)dz?2?i?0?0?2?i
(2)在C2所围的区域内包含三个奇点z?0,z??i.故
??1z(z?1)2Cdz???C2(1z?12z?i?1?12z?i?1)dz?2?i??i??i?0
(3)在C2所围的区域内包含一个奇点z??i,故
??1z(z?1)2Cdz???C3(1z?12z?i?1?12z?i?1)dz?0?0??i???i
(4)在C4所围的区域内包含两个奇点z?0,z?i,故
??
1z(z?1)2Cdz???C4(1z?12z?i?1?12z?i?1)dz?2?i??i??i
10.利用牛顿-莱布尼兹公式计算以下积分.(1)
???2i0zcosdz(2)
210??0?iedz(3)
?z?ii1(2?iz)dz
2(4)
?iln(z?1)z?1??2i01dz(5)
?z?sinzdz(6)
?1?tanzcosz21dz
解(1)?(2)?0??iz1zcosdz?sin222?z0??i??2i0?2ch1
edz??e?z??2
(3)
?i1(2?iz)dz?21i?ii1(2?iz)d(2?iz)?2113?(2?iz)i3i1??113?i3
(4)
?iln(z?1)z?11dz??1ln(z?1)dln(z?1)?12?ln(z?1)12i11?2??(?3ln2)
842(5)
?10z?sinzdz???zdcosz??zcosz0110?0coszdz?sin1?cos1
i1(6)
?i1?tanzcosz21dz??i1seczdz?2?i1secztanzdz?tanz2?12tanz2i111?????tan1?tan21?th21??ith1?22?e2z
11.计算积分??(1)
z?i?1Cz?1dz,其中C为
(2)z?i?1(3)e2zz?2
ezz?i解(1)
??e2Cz?1dz?dz???ezC(z?i)(z?i)ezdz?2?i?zz?i??ei
???e
?iz(2)(3)
??Cz?1??C(z?i)(z?i)dz?2?i?ez?iz??i??e2zCz?1dz???e2zC1z?1dz???e2zC2z?1dz??e??ei?i?2?isin1
16.求以下积分的值,其中积分路径C均为|z|=1.
ezz(1)
??Cdz(2)5??coszz3Cdz(3)
??C2dz,z?102(z?z0)2tanz解(1)
??ezzCdz?52?i4!(e)z(4)z?0??i12
(2)
??coszz3Cdz?2?i2!(cosz)(2)z?0???i
(3)
??C2dz?2?i(tanz)'2(z?z0)tanzz?z0??isec2z02
17.计算积分??(1)中心位于点z1(z?1)(z?1)33Cdz,其中积分路径C为
?1,半径为R?2的正向圆周
?2(2)中心位于点z??1,半径为R的正向圆周
解:(1)∴??(2)
C内包含了奇点z1dz?3?1
1(z?1)(2)z?12?i2!C(z?1)(z?1)3()3?3?i8
C内包含了奇点z1(z?1)(z?1)3??1,2?i2!1(z?1)3?i8∴??
Cdz?3()3(2)z??1??
19.验证以下函数为调和函数.(1)??x?6xy?3xy?2y;(2)??ecosy?1?i(esiny?1).xx3223
解(1)设w?u?i?,u∴?u?x2?x3?6xy?3xy22?2y3??0
2?3x?12xy?3y
2?u?y??6x?6xy?6y
2?u?x22?6x?12y
?u?y22??6x?12y
从而有?u?x22??u?y22?0,w满足拉普拉斯方程,从而是调和函数.
(2)?u?x设w?u?i?,u?ex?cosy?1??ex?siny?1
x∴
?e?cosy
?u?y?u?y22x??e?siny
?u?x22?e?cosy
x??e?cosy
x从而有?u?x???x22??u?yx22?0,u满足拉普拉斯方程,从而是调和函数.
?e?siny
???y2x?e?cosy
???x222?e?siny
x???y2??siny?e
x???x2????y22?0,?满足拉普拉斯方程,从而是调和函数.
20.证明:函数u?x?y,??22xx?y?u?x2222都是调和函数,但f(z)?u?i?不是解析函数
证明:
?u?x?2x
?u?y??2y?2
?u?y22??2
∴
?u?x22??u?y222?0,从而u是调和函数.
22???x???x22?y?x2(x?y)22
???y?(x???y22?2xy2
22?y)233??6xy?2x(x?y)2233?6xy?2x(x?y)22
∴
???x22????y22?0,从而?是调和函数.
但∵
?u?x????y
?u?y?????x
∴不满足C-R方程,从而f(z)?u?i?不是解析函数.
22.由以下各已知调和函数,求解析函数f(z)?u?i?(1)u?x2?y2?xy(2)u?yx?y22,f(1)?0
???x解(1)由于所以
?u?x?2x?y????y
?u?y??2y?x??
????(0,0)??x2(x,y)?u?ydx??u(x,y)x?xdx?y(2x?y)dy?Cdy?C??(2y?x)dx?(2x?y)dy?C??0?0(0,0)?x2?y222?2xy?Cf(z)?x?y?xy?i(?2x22?y22?2xy?C)
令y=0,上式变为f(x)?x?i(2x22?C)
从而f(z)?z?i?2z22?iC
?u?yx?y2222(2)
?u?x??2xy(x?y)222
?(x?y)2
用线积分法,取(x0,y0)为(1,0),有???1x?(x,y)(1,0)(??u?yxdx??u?xdy)?C??xxx21dx?x?42yydy?C0(x2?y2)2?1?x?y22xy?2?1?C20x?y
f(z)?yx?y22?i(xx?y22?1?C)
由f(1)?0.,得C=0?1??f?z??i??1?
?z?
23.设p(z)?(z?a1)(z?a2)?(z?an),其中ai(i?1,2,?,n)各不一致,闭路C不通过
a1,a2,?,an,证明积分
12πi??Cp?(z)p(z)dz
等于位于C内的p(z)的零点的个数.
证明:不妨设闭路C内P(z)的零点的个数为k,其零点分别为a1,a2,...ak
nnk??2πi?11P?(z)P(z)1Cdz???2πi11?(z?ak?2C)?(z?a1)?(z?ak)?...(z?a1)...(z?an?1)k?3(z?a1)(z?a2)...(z?an)1z?a2Cdz??2πiCz?a1dz?12πi??2πi??Cdz?...?1??2πi??C11z?andz1Cdz?1?1?...?1??????k个1z?ak?1dz?...?2πiz?an?k
24.试证明下述定理(无界区域的柯西积分公式):设f(z)在闭路C及其外部区域D内解析,且limf(z)?A??,则
z????f(z)?A,d????A,2πiC??z?1f(?)z?D,z?G.
其中G为C所围内部区域.
证明:在D内任取一点Z,并取充分大的R,作圆CR:则f(z)在以C及f(z)?12πi[??CRz?R,将C与Z包含在内
为边界的区域内解析,依柯西积分公式,有
d?-??f(?)d?]
f(?)CR??zC??z由于
f(??z)??zf(?)在??R上解析,且
???lim????z?limf(?)????11?z?limf(?)?1????所以,当Z在C外部时,有f(z)?A???2πi1f(?)C??zd?
即
12πi??f(?)C??zd???f(z)?A
设Z在C内,则f(z)=0,即
12πif(?)d??f(?)d?]
0?[??1CR??z??C??z故有:2πi
??f(?)C??zd??A
习题四
????1.复级数?an与?bn都发散,则级数?(an?bn)和?anbn发散.这个命题是否成立?为
n?1n?1n?1n?1什么?
??答.不一定.反例:
??n?1?an??nn?11?i1n2??,?bn?n?1?n?1?1n?i1n2发散
但?(an?bn)?n?1??n?n?1i?2n2收敛
?(an?1?bn)??n?12n发散
???n?1anbn??[?(n?11n2?1n4)]收敛.
2.以下复数项级数是否收敛,是绝对收敛还是条件收敛?
iπ?(1)?n?1?1?i2n?1?nin(2)?(n?1?1?5i2cosin2n?)(3)
n?n?1enn
(4)
?lnn(5)?n?1?
n?nn?0解(1)
??n?11?i2n?1?n??n?1?1?(?1)?in2n?1??n?11n?(?1)n?i
由于?n?11n发散,所以?n?11?in发散
?(2)?n?11?5i2n???n?1n(262)发散1252n又由于lim(n???1?5i2n)?lim(n???i)?0
n所以?(n?11?5i2πi)发散
iπ?(3)
?n?1en?n??n?11n?发散,又由于?n?1enn?cosπn?isinnπn????n?1?n?11n(cosπn?isinπn)收
敛,所以不绝对收敛.
?(4)
?n?1in?lnn??lnn
n?111由于
lnn?1n?1
所以级数不绝对收敛.
?又由于当n=2k时,级数化为?k?1(?1)kln2k收敛
?当n=2k+1时,级数化为?k?1(?1)kln(2k?1)也收敛
所以原级数条件收敛
?(5)
?n?0cosin2n???n?012n?e?e2n?n?1??()?22n?02en1??n?0(12e)
n?其中?()发散,?(n?0e?n12e2)收敛
nn?0所以原级数发散.
??2?23.证明:若Re(an)?0,且?an和?an收敛,则级数?an绝对收敛.
n?1n?1n?12222证明:设an?xn?iyn,an?(xn?iyn)?xn?yn?2xnyni
??由于?an和?an2收敛
n?1n?1???2?所以?xn,?yn,?(xn?yn),?xnyn收敛
n?1n?1n?1n?1又由于Re(an)?0,
xn?limxn?0所以xn?0且limn??n??2当n充分大时,xn?xn
?2所以?xn收敛
n?12an2?xn?yn?2xn?(xn?yn)
?2n22222?22而?2x收敛,?(xn?yn)收敛n?1n?1?所以?ann?12?收敛,从而级数?an绝对收敛.
n?12
?4.探讨级数?(zn?0n?1?z)的敛散性
n
n解由于部分和sn??(zk?0k?1?z)?zkn?1?1,所以,当z?1时,sn??1
当z?1时,sn?0,当z??1时,sn不存在.
i?当z?e而??0时(即z?1,z?1),cosnθ和sinnθ都没有极限,所以也不收敛.
当z>1时,sn??.
?故当z?1和z?1时,
??(zn?0n?1?z)收敛.
n5.幂级数?Cn(z?2)能否在z=0处收敛而在z=3处发散.
n?0n解:设limn??Cn?1Cn??,则当z?2?1?时,级数收敛,z?2?1?时发散.
若在z=0处收敛,则
1?1?2
若在z=3处发散,则
??1
?显然矛盾,所以幂级数?Cn(z?2)不能在z=0处收敛而在z=3处发散
n?0n
6.以下说法是否正确?为什么?
(1)每一个幂级数在它的收敛圆周上四处收敛.
(2)每一个幂级数的和函数在它的收敛圆内可能有奇点.
答:(1)不正确,由于幂级数在它的收敛圆周上可能收敛,也可能发散.(2)不正确,由于收敛的幂级数的和函数在收敛圆周内是解析的.
?n?7.若?Cnz的收敛半径为R,求?n?0n?0Cnbnz的收敛半径。
nCn?1b解:由于limn??n?1Cnbn?limCn?1Cnn???1b?11Rb
所以R??R?b
?n8.证明:若幂级数?anz的系数满足limn??n?0nan??,则
(1)当0?????时,R?(2)当??0时,R???(3)当????时,R?0
?1?
证明:考虑正项级数?anzn?0n?a1z?a2zn2?...?anzn?...
由于limnn??anzn?limnn??an?nz???z,若0?????,由正项级数的根值判别法知,
n当??z?1时,即z?1??时,?anz收敛。当??z?1时,即z?n?01?时,anzn2不能
趋于零,limn??nanzn?1级数发散.故收敛半径R?1?.
当??0时,??z?1,级数收敛且R???.若????
9.求以下级数的收敛半径,并写出收敛圆周。
?n,对?z?0,当充分大时,必有anzn2不能趋于零,级数发散.且R?0
(1)(3)
?n?0(z?i)np?(2)
?2n?12n?nn?0p?zn
??n?0?(?i)n?1?z2n?1
(4)
?(n)n?0in?(z?1)n(n?1)
解:(1)n??(n?1)?R?1lim1p1np?lim(n??nn?1)?lim(1?n??p1n?1)?1p
收敛圆周
z?i?1
lim(n?1)npp(2)
n???1z?1
n?1R?1所以收敛圆周
(3)记fn(z)?(?i)由比值法,有
limfn?1(z)fn(z)?lim?2n?12n?z2n?1
(2n?1)?2?z(2n?1)?22n?1n2n?12n?1n??n???12z2?z
要级数收敛,则
z?2级数绝对收敛,收敛半径为R?2所以收敛圆周
z?2inn(n?1)(4)记fn(z)?()?(z?1)n
n(n?1)limnn??fn(z)?limn(z?1)nn??n?limz?1nn?1n?????,??????若????1若????1
所以
z?1?1时绝对收敛,收敛半径R?1
收敛圆周
z?1?1
10.求以下级数的和函数.
??(1)
?(?1)n?1n?1?nz(2)
n
?(?1)n?0n?z2n(2n)!
解:(1)limCn?1Cn?limn?1n?1n??n??
故收敛半径R=1,由逐项积分性质,有:
??0z??(?1)nznn-1dz??n?1(?1)z?nnz1?z
n?1所以
??n?1(?1)?nznn-1?(z1?z)??1(1?z)2,z?1
于是有:
???n?1(?1)n?1?nz??z?(?1)?nzn?1nnn?1??z(1?z)2z?1
?s(z)?(2)令:
?limCn?1Cn?(?1)n?0n?z2n(2n)!
1n???limn??(2n?1)(2n?2)?0.
故R=∞,由逐项求导性质
?s?(z)??(?1)n?1n?z2n?1(2n?1)!
?s??(z)??(?1)n?1n?z2n?2?(2n?2)!??(?1)m?0m+1?z2m?(2m)!(m?n?1)???(?1)?n?0nz2n(2n)!
由此得到s??(z)??s(z)即有微分方程s??(z)?s(z)?0
故有:s(z)?Acosz?Bsinz,A,B待定。
?由S(0)?A?[?(?1)?n?0nz2n(2n)!?]z?0?1?A?1
s?(0)??sinz?Bcosz?[?(?1)?n?1nz2n?1(2n?1)!]z?0?0?B?0
所以
??(?1)n?0n?z2n(2n)!?cosz.R???
???n11.设级数?Cn收敛,而?Cn发散,证明?Cnz的收敛半径为1
n?0n?0n?0?证明:由于级数?Cn收敛
n?0设
limCn?1ZCnZn?1nn????z.
若
??Cn?0nz的收敛半径为1
n则z?1?
??1现用反证法证明
limCn?1???1?若
0???1n??Cn则z?1,有
,即?Cn收敛,与条件矛盾。
n?0??n若
??1则z?1,从而?Cnz在单位圆上等于?Cn,是收敛的,这与收敛半径的概念
n?0n?0矛盾。
综上述可知,必有R?1?1??1,所以
?
?12.若?Cn?0nzn在
z0点处发散,证明级数对于所有满足
?z?z0点z都发散.
证明:不妨设当
z1?z0时,?Cn?0znn在
z1?处收敛
?则对
?z?z1,
??Cn?0nzn绝对收敛,则
?Cn?0nzn在
点
z0处收敛
nz?z0所以矛盾,从而?Cnz在处发散.
n?0
13.用直接法将函数ln(1?e解:由于ln(1?e)?ln(?z?z4)在z?0点处展开为泰勒级数,(到z项),并指出其收敛半径.
1?eezz)
奇点为zk?(2k?1)πi(k?0,?1,...)
所以R?π又
ln(1?e?z)z?0?ln2
[ln(1?e?z)]???e?z?zz?01?e??12122[ln(1?e?z)]????e?z?z(1?e?z)2z?0??
[ln(1?e?z)]?????e?e?z?2z(1?ee?z)3z?0?0
?2z[ln(1?e?z)](4)?(1?4e?z?z?e)4)z?0(1?e??12
3于是,有展开式
ln(1?e?z)?ln2?12z?12!22z?214!23z?...,R?π4
(z?1)4
114.用直接法将函数1?z2在解:又
f(z)?11?z2z?1?2点处展开为泰勒级数,(到
R?2项)
z??i1为1?z2的奇点,所以收敛半径
12
,f(1)?f?(z)??2z(1?z)22,f?(1)??1212
f??(z)??2?6z(1?z)223,f??(1)?f???(z)?24z?24z(1?z)243,f???(1)?0
24f(4)(z)?24?240z?120z(1?z)25,f(4)(1)?0
于是,f(z)在z?1处的泰勒级数为
11?z2?12?12(z?1)?14(z?1)?234!(z?1)?...,R?42
15.用间接法将以下函数展开为泰勒级数,并指出其收敛性.
1(1)2z?3分别在
arctanzz?0和
z?13sinz在z?0处处(2)
(3)在
z?0处(4)(z?1)(z?2)在z?2处
zz?0(5)ln(1?z)在处
1解(1)2z?312z?31??13?2z??13?1?123z??13???(n?023z),z?n32
?2z?2?1??12(z?1)?1??11?2(z?1)????2(z?1),z?1?n?0nn12
(2)
sinz??(2n?1)!zn?0?(?1)n2n?1?z?z33!?z55!?...
sinz?33?4(?1)?n32n?1n?0(2n?1)!1z2n?1,z??
?arctanz?(3)
?z01?z2dz
?z??i为奇点,?R?1z0arctanz??11?zdz?2??0z??(?1)zdz?n2n?n?0(?1)?n12n?1?z2n?1,z?1n?0
(4)
1(z?1)(z?2)1?n?1z?1?1z?21??1z?2?3?1z?2?4?13?1?1z?23?14?1?1z?24??(?1)?3n?0?n?(z?23?)?1n(?1)?4n?0nn?(z?24)n
?n?0(?1)?(13n?14n?1)(z?2),z?2?3(5)由于从z??1沿负实轴ln(1?z)不解析所以,收敛半径为R=1
[ln(1?z)]??11?zz?n???(?1)n?0nn?z
?nln(1?z)???(?1)0n?0?zdz??(?1)n?0n?1n?zn?1,z?1
16.为什么区域z?R内解析且在区间(?R,R)取实数值的函数f(z)展开成z的幂级数时,展开式的系数都是实数?
答:由于当z取实数值时,f(z)与f(x)的泰勒级数展开式是完全一致的,而在x?R内,f(x)的展开式系数都是实数。所以在z?R内,f(z)的幂级数展开式的系数是实数.
17.求
f(z)?2z?12z?z?2的以
z?0为中心的各个圆环域内的罗朗级数.
z?0z?1z2??2解:函数f(z)有奇点1与,有三个以为中心的圆环域,其罗朗级数.分别为:
在z?1内,f(z)?2z?1z?z?22=1z?1?1z?2????z?n?0n1?n(?1)?2n?0zn()2
???n?0((?1)?n12n?1?1)zn
119.在解:令
1?z???1?z内将f(z)?e展开成罗朗级数.
t?,1?z则
1f(z)?e?1?t?t12!?t?213!?t?...3
而
t?1?z???内展开式为在1?z111?z??1z?11?1z??1z?(1?1z?1z2?...)
所以,代入可得
f(z)?1??1?1z?1z12z2?(1??1z3??1z2?...)?1?112!z195?(1??...1z?1z2?...)?...216z
24z4120z
20.有人做以下运算,并根据运算做出如下结果z1?zzz?1?z?z?z?...23
?1?1z?1z2?...
z由于1?z1z3?zz?11z?0,所以有结果
...??1z2??1?1?z?z?z?...?023
你认为正确吗?为什么?
z答:不正确,由于1?zz1z1z2?z?z?z?...23要求z?1
而1?z?1???...要求z?1
zz?11z6z所以,在不同区域内1?z
??
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