求留数专项:泰勒系数法
把解析因子展开到所需次数,取与分母配合产生 −1-1 次幂的系数。 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. 只展开到三次
用泰勒系数法求 𝑒𝑧/𝑧4e^z/z^4 在原点的留数。
提示
取 𝑒𝑧e^z 的三次项系数。
参考答案与解析
结果:1/61/6。
𝑒𝑧 =1 +𝑧 +𝑧2/2 +𝑧3/6 +𝑂(𝑧4)e^z=1+z+z^2/2+z^3/6+O(z^4),除以 𝑧4z^4 后,只有三次项变成 𝑧−1z^-1,所以留数为 1/61/6。原点是四阶极点。
题库编号:q-000070。
2. 实际阶数与形式分母
用泰勒系数法求 sin𝑧/𝑧4sin z/z^4 在原点的留数,并确定实际极点阶数。
提示
正弦的最低非零项是一阶项。
参考答案与解析
结果:留数 −1/6-1/6;三阶极点。
sin𝑧 =𝑧 −𝑧3/6 +𝑂(𝑧5)sin z=z-z^3/6+O(z^5),所以 sin𝑧/𝑧4 =𝑧−3 −(1/6)𝑧−1 +𝑂(𝑧)sin z/z^4=z^-3-(1/6)z^-1+O(z)。最高负幂为 𝑧−3z^-3,实际阶数是三阶;留数为 −1/6-1/6。用 𝑔 =sin𝑧,𝑚 =4g=sin z,m=4 取三次系数也正确,但不能据此把实际阶数称作四阶。
题库编号:q-000071。
3. 分子相消后再取系数
求 (𝑒𝑧 −1 −𝑧)/𝑧5(e^z-1-z)/z^5 在原点的留数与实际极点阶数。
提示
需要分子的四次项,而阶数由二次项决定。
参考答案与解析
结果:留数 1/241/24;三阶极点。
𝑒𝑧 −1 −𝑧 =𝑧2/2 +𝑧3/6 +𝑧4/24 +𝑂(𝑧5)e^z-1-z=z^2/2+z^3/6+z^4/24+O(z^5)。除以 𝑧5z^5 后主部为 1/(2𝑧3) +1/(6𝑧2) +1/(24𝑧)1/(2z^3)+1/(6z^2)+1/(24z),故留数 1/241/24,极点阶数三阶。不能把分子减去的常数和线性项再计入。
题库编号:q-000072。
4. 解析因子的卷积
求 𝑓(𝑧) =𝑒𝑧/[𝑧3(1 +𝑧)]f(z)=e^z/[z^3(1+z)] 在原点的留数,只展开解析因子到必要次数。
提示
二次系数由 0 +20+2、1 +11+1、2 +02+0 三种组合给出。
参考答案与解析
结果:1/21/2。
在 |𝑧| <1|z|<1 内,𝑒𝑧 =1 +𝑧 +𝑧2/2 +𝑂(𝑧3)e^z=1+z+z^2/2+O(z^3),(1 +𝑧)−1 =1 −𝑧 +𝑧2 +𝑂(𝑧3)(1+z)^-1=1-z+z^2+O(z^3)。乘积的二次系数为 1 −1 +1/2 =1/21-1+1/2=1/2。除以 𝑧3z^3 后它就是留数;只看 𝑒𝑧e^z 的二次项虽碰巧同值,却不能省略另外两个贡献。
题库编号:q-000073。
5. 只需要一次系数
求 𝑓(𝑧) =cos𝑧/[𝑧2(1 −𝑧)]f(z)=cos z/[z^2(1-z)] 在原点的留数。
提示
分母为 𝑧2z^2,只需解析因子的一次项。
参考答案与解析
结果:11。
cos𝑧 =1 +𝑂(𝑧2)cos z=1+O(z^2),(1 −𝑧)−1 =1 +𝑧 +𝑂(𝑧2)(1-z)^-1=1+z+O(z^2),故解析因子的乘积为 1 +𝑧 +𝑂(𝑧2)1+z+O(z^2)。除以 𝑧2z^2,得到 𝑧−2 +𝑧−1 +𝑂(1)z^-2+z^-1+O(1),留数为 11。无需展开到二次以上。
题库编号:q-000074。
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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