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求留数专项:洛朗展开法

寻找本性奇点展开中的 a−1a_-1;乘积中要匹配所有指数和为 −1-1 的项。 本套共 5 题,按基础计算、条件辨析和方法核对逐步练习。

先独立完成奇点类型、所选公式和计算结果,再展开提示或解析。自由作答题按推导过程自评,不要求答案文字完全一致。

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1. 指数的基本留数

判断 f(z)=e1/zf(z)=e^1/z 在 z=0z=0 的奇点类型,并求 Res⁡(f,0)Res(f,0)。

提示

在指数级数中寻找 z−1z^-1。

参考答案与解析

结果:本性奇点;留数为 11。

e1/z=∑n=0∞z−n/n!e^1/z=sum_n=0^infz^-n/n! 在任意 0<|z|<r0<|z|<r 内成立。主部有无穷多项,所以原点为本性奇点;n=1n=1 对应 z−1z^-1,其系数为 11。

题库编号:q-000050。

2. 幂次移动

求 f(z)=z2e2/zf(z)=z^2e^2/z 在 z=0z=0 的留数,并说明原点的奇点类型。

提示

写出 2−n=−12-n=-1。

参考答案与解析

结果:Res⁡(f,0)=4/3Res(f,0)=4/3;本性奇点。

展开 z2e2/z=∑n=0∞(2n/n!)z2−nz^2e^2/z=sum_n=0^inf(2^n/n!)z^2-n。令 2−n=−12-n=-1 得 n=3n=3,故留数为 23/3!=4/32^3/3!=4/3。乘以 z2z^2 后主部仍有无穷多项,原点仍为本性奇点。

题库编号:q-000051。

3. 正弦本性奇点

求 sin⁡(1/z)sin(1/z) 在原点的留数。能否使用有限阶极点的求导公式?

提示

将正弦的幂级数中的自变量换成 1/z1/z。

参考答案与解析

结果:留数为 11;不能使用有限阶极点公式。

sin⁡(1/z)=∑n=0∞(−1)nz−(2n+1)/(2n+1)!sin(1/z)=sum_n=0^inf(-1)^n z^-(2n+1)/(2n+1)!。n=0n=0 给出 1/z1/z,故留数为 11。主部有无穷多项,不存在有限的极点阶数 mm,所以高阶极点公式不适用。

题库编号:q-000052。

4. 无穷多项的系数配对

在 0<|z|<10<|z|<1 内展开 f(z)=e1/z/(1−z)f(z)=e^1/z/(1-z),求原点的留数。说明为什么只取 e1/ze^1/z 的 1/z1/z 项会出错。

提示

匹配指数 k−n=−1k-n=-1。

参考答案与解析

结果:Res⁡(f,0)=e−1Res(f,0)=e-1。

在该圆环内,e1/z=∑n≥0z−n/n!e^1/z=sum_n>=0z^-n/n!,(1−z)−1=∑k≥0zk(1-z)^-1=sum_k>=0z^k。两个级数在紧子集上一致绝对收敛,可以相乘。k−n=−1k-n=-1 即 n=k+1n=k+1,因此留数为 ∑k≥01/(k+1)!=e−1sum_k>=01/(k+1)!=e-1。各个 kk 都有贡献,不能仅保留 n=1n=1。

题库编号:q-000053。

5. 余弦与一次负幂

判断 f(z)=cos⁡(1/z)/zf(z)=cos(1/z)/z 在原点的奇点类型并求留数。

提示

除以 zz 后,每一项的指数减一。

参考答案与解析

结果:本性奇点;留数为 11。

cos⁡(1/z)/z=∑n≥0(−1)nz−(2n+1)/(2n)!cos(1/z)/z=sum_n>=0(-1)^n z^-(2n+1)/(2n)!。主部无穷,原点为本性奇点。n=0n=0 的系数为 11,就是留数。不要把 cos⁡(1/z)cos(1/z) 本身的零留数直接用于乘积。

题库编号:q-000054。

完成后自检

能否说明公式的适用条件,并用另一种方法核对至少一道题?若仍有困难,先返回方法选择与计算,再做综合题集。

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