复变函数与积分变换 复旦大学出版社 习题二 答案
更新时间:2024-03-02 15:43:01 阅读量: 综合文库 文档下载
习题二
1. 求映射
w?z?1z下圆周|z|?2的像.
w?u?iv解:设z?x?iy,
u?iv?x?iy?1则
2x?iy?x?iy?x?iyx?y2?x?xx?y2?i(y?2yx?y2)
2 因为所以
x?y?45422,所以
34yu?iv?54x?34yi
u?u54xv??,
x?,y?v34
?2u5222u所以??542?v??342即???v3222???1,表示椭圆.
i?22. 在映射w?z下,下列z平面上的图形映射为w平面上的什么图形,设w??e或
w?u?iv.
4; (2) (1)
(3) x=a, y=b.(a, b为实数)
0?r?2,??π0?r?2,0???π4;
解:设
w?u?iv?(x?iy)?x?y?2xyi222
22所以u?x?y,v?2xy.
(1) 记w??e,则
0???4,??π2.i?0?r?2,??π4映射成w平面内虚轴上从O到4i的一段,即
(2) 记
w??ei?0???π4,0?r?20???4,0???π2.,则映成了w平面上扇形域,即
(3)
记w?u?iv,则将直线
x=a映成了
u?a?y,v?2ay.22即
v?4a(a?u).222是以原点为焦
22点,张口向左的抛物线将y=b映成了u?x?b,v?2xb.
222 即v?4b(b?u)是以原点为焦点,张口向右抛物线如图所示.
3. 求下列极限.
lim11?z1t2 (1) 解:令
z??;
z?,则z??,t?0.
2lim11?z于是
z???limt?0t221?t?0.
limRe(z)z(2)
z?0;
Re(z)z?xx?iy解:设z=x+yi,则
limRe(z)z?limx有
z?0x?0y?kx?0x?ikx?11?ik
显然当取不同的值时f(z)的极限不同 所以极限不存在.
limz?iz(1?z)2(3)
z?i;
limz?iz(1?z)2解:
z?ilimz?iz(i?z)(z?i)=
z?i?limz?i1z(i?z)??12.
limzz?2z?z?2z?12(4)
z?1.
?(z?2)(z?1)(z?1)(z?1)?z?2,z?1
zz?2z?z?2解:因为
limz?12zz?2z?z?2z?12所以
z?1?limz?2z?1z?1?32.
4. 讨论下列函数的连续性: (1)
?xy,?22f(z)??x?y?0,?z?0,z?0;
xyx?y22limf(z)?解:因为
z?0(x,y)?(0,0)lim,
若令y=kx,则
(x,y)?(0,0)limxyx?y22?k1?k2,
因为当k取不同值时,f(z)的取值不同,所以f(z)在z=0处极限不存在. 从而f(z)在z=0处不连续,除z=0外连续. (2)
?x3y,?f(z)??x4?y2?0,?z?0,z?0.3
x30?xyx?yxyx?y42342?y2解:因为
lim2xy?x2,
所以
(x,y)?(0,0)?0?f(0)
所以f(z)在整个z平面连续.
5. 下列函数在何处求导?并求其导数. (1)
f(z)?(z?1)n?1 (n为正整数);
解:因为n为正整数,所以f(z)在整个z平面上可导.
n?1f?(z)?n(z?1).
f(z)?z?2(z?1)(z?1)2(2) .
2解:因为f(z)为有理函数,所以f(z)在(z?1)(z?1)?0处不可导.
从而f(z)除z??1,z??i外可导.
(z?2)?(z?1)(z2?1)?(z?1)[(z?1)(z2f?(z)??1)]?(z?1)2(z2?1)2??2z3?5z2?4z?3(z?1)2(z2?1)2
3z?8(3)
f(z)?5z?7.
z=7f?(z)?3(5z?7)?(3z?8)5解:f(z)除
5外处处可导,且
(5z?7)2??61(5z?7)2.
f(z)?x?y?ix?y(4) x2?y2x2?y2.
解:因为
f(z)?x?y?i(x?y)x?iy)iy)(1?i)z(1?i)1?ix2?y2?x?iy?i(x2?y2?(x?x2?y2?z2?z.所以f(z)除z=0外处处可导,f?(z)??(1?i)z2.
6. 试判断下列函数的可导性与解析性. (1) f(z)?xy2?ix2y;
解:
u(x,y)?xy2,v(x,y)?x2y在全平面上可微.
?y?v?x?y2,?u?y?2xy,?x?2xy,?v?y?x2
所以要使得
?u?v?uv?x??y???, ?y?x,
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?2y
且
?u只有当z=0时,即(0,0)处有?x??v?u?y?y???v?y,.
所以f(z)在z=0处可导,在全平面上不解析. (3)
f(z)?2x?3iy33;
33解:u(x,y)?2x,v(x,y)?3y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.
2(4) f(z)?z?z.
解:设z?x?iy,则
f(z)?(x?iy)?(x?iy)?x?xy?i(y?xy)u(x,y)?x?xy,v(x,y)?y?xy?u?x?3x?y,2223232
3232
?v?y?3y?x22?u?y?2xy,?v?x?2xy,
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,处处不解析.
7. 证明区域D内满足下列条件之一的解析函数必为常数.
?(1) f(z)?0;
?u?u?y?v?v?y证明:因为
f?(z)?0,所以
?x??0,
?x??0.
所以u,v为常数,于是f(z)为常数. (2)
f(z)解析.
f(z)?u?iv??u?x??证明:设
?u?x?u?y?u?x???y?x?v?y在D内解析,则
?(?v)?v?y
??(?v)???u?y?v?y?
?v?x??,
?u而f(z)为解析函数,所以?x?v?x???v?x,?v?y???v?y,??u?y,?u?y?u?y?v?x???v?x
?u?x????v?y?0所以即
从而v为常数,u为常数,即f(z)为常数. (3) Ref(z)=常数.
?u证明:因为Ref(z)为常数,即u=C1,
?u?x???u?y?0?0 即u=C2
?u?y因为f(z)解析,C-R条件成立。故从而f(z)为常数. (4) Imf(z)=常数.
?x?v证明:与(3)类似,由v=C1得
?u?x??v?y?0
因为f(z)解析,由C-R方程得所以f(z)为常数.
?x??u?y?0,即u=C2
5. |f(z)|=常数.
证明:因为|f(z)|=C,对C进行讨论. 若C=0,则u=0,v=0,f(z)=0为常数. 若C??u?x0,则f(z)
?v?x?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??2v??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??v??u?u??v?0?x??x所以?
?u
即u=C1,v=C2,于是f(z)为常数.
(6) argf(z)=常数.
所以?x?0,?v?x?0
?v?arctan???C?u?证明:argf(z)=常数,即
u?(u?22,
?v?u?y2?v(v/u)?于是得
1?(v/u)??x?x22u(u?v)2?v??u)?u(u22?v?y2)?0u(u?v)
???u??v?v??u??x?x?0??u??v?v??u??y?y?0 C-R条件→
???v?v??u??u?0??x?x???v?v??u??u?x?x?0
?u?v?uv?x??y???y?0解得
?x?,即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:因为f(z)解析,从而满足C-R条件.
?u?x?2nxy,?u?y?3my2?nx2
?v?3x2?ly2?x,?v?y?2lxy
?u?x??v?y?n?l
?u?y???v?x?n??3,l??3m
所以n??3,l??3,m?1.
9. 试证下列函数在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?3x2?3y2,?u?y??6xy,?v?x?6xy,?v?y?3x2?3y2
所以f(z)在全平面上满足C-R方程,处处可导,处处解析.
f?(z)??u2222?x?i?v?x?3x?3y?6xyi?3(x?y?2xyi)?3z2f(z)?ex(xcosy?ysiny)?iex(ycosy?xsiny).
证明:
u(x,y)?ex(xcosy?ysiny),v(x,y)=ex(ycosy?xsiny)处处可微,且
?u?x?ex(xcosy?ysiny)?ex(cosy)?ex(xcosy?ysiny?cosy)
?ux?y?e(?xsiny?siny?ycosy)?ex(?xsiny?siny?ycosy)?v?x?ex(ycosy?xsiny)?ex(siny)?ex(ycosy?xsiny?siny).(2)
?v?y?e(cosy?y(?siny)?xcosy)?e(cosy?ysiny?xcosy)xx?u所以?x??v?y?u, ?y???v?x
所以f(z)处处可导,处处解析.
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)zz10. 设
z?0.z?0.?x3?y3?i?x3?y3?,?22f?z???x?y?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.
limf(z)?z?0证明.(1)∵
lim?x,y???0,0?limu?x,y??iv?x,y?
而
?x,y???0,0?u?x,y???x,y???0,0?limx?yx?y2332
xy???x?y?1???2222?x?yx?y??? ∵
x?yx?y3x?y333320≤2≤32x?y∴
∴
?x,y???0,0?limx?yx?y3232?0
32同理∴
?x,y???0,0?limx?yx?y2?0
?x,y???0,0?limf?z??0?f?0?∴f(z)在z=0处连续.
limf(z)?f?0?z(2)考察极限
z?0
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它们分别为?x?u??v?y,?i??v?x,?v?y?i?u?y
?u?y∴?x???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?lim33x?1?i??x?1?i?x?y?02x?1?i?3?i1?i
∴z?0?z不存在.即f(z)在z=0处不可导.
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?lim?f在区域D1内解析.
证明:设f(z)=u(x,y)+iv(x,y),因为f(z)在区域D内解析.
?u??v?y,?u?y???v?x所以u(x,y),v(x,y)在D内可微且满足C-R方程,即?xf?z??u?x,?y??iv?x,?y????x,y??i??x,y????x???x.
,得
??u?x,?y????y??u?x,?y??y?????u?x,?y??y??
??v?x,?y??x?x
??????y,???y?????x???v?x,?y??y?v?x,?y??y
?y故φ(x,y),ψ(x,y)在D1内可微且满足C-R条件?x
??从而fz在D1内解析
13. 计算下列各值
(1) e2+i=e2?ei=e2?(cos1+isin1)
2??i2π?i3(2)(3)
e3?e?e3??π??π???e??cos????isin?????e3?3??3???322?13????22?i??
?Re?e?Re?e?ex?iy2x?y2xx?y22?yx?y22i??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??2x?e?e?2iyi?2?x?iy??e?e?e?2x
14. 设z沿通过原点的放射线趋于∞点,试讨论f(z)=z+ez的极限. 解:令z=reiθ, (1)
3??ln??2?3i?=ln13?iarg??2?3i??ln13?i?π?arctan??2?
对于?θ,z→∞时,r→∞. 故
lim?rer??i??erei???lim?rei?r???er?cos??isin?????.
所以z??limf?z???.
15. 计算下列各值.
(2)
ln?3?3i??ln23?iarg?3?π?π?3i??ln23?i????ln23?i6 ?6?(3)ln(ei)=ln1+iarg(ei)=ln1+i=i
(4)
16. 试讨论函数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除负实轴及原点外处处连续. 设z=x+iy,
u?x,y???u?x?v?xln?ie??lne?iarg?ie??1?π2ig(z)?|z|?22x?y?u?x,y??iv?x,y?22
x?y,v?x,y??012在复平面内可微.
?u2?12?x2?y2???2x?xx?y2?y?yx?y22
?0?v?y?0
故g(z)=|z|在复平面上处处不可导. 从而f(x)=|z|+lnz在复平面上处处不可导. f(z)在复平面除原点及负实轴外处处连续. 17. 计算下列各值. (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???π2??isin??ln??4??π2??isin??ln??4??2??????2????
?2?e2kπ?π4 (2)
??3??e?e?35?eln??3?5?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??i??ln1?i?0?2kπi?5??cos?2k?1?π?
1?i?e?eln1?i?e?iln1?e(3)
?i??2kπi??e2kπ
?e?1?i?ln???1?i??2?1?i?1?i?(4)???2?1?i?e?1?i?ln???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?eπ?e4π?2kπ?π?π????cos?isin????4?4????22????22?i???e4?2kπ
18. 计算下列各值 (1)
cos?π?5i????e?5ei?π?5i??e2?5?i?π?5i??5e5iπ?5?e2?5?iπ?55?e??1?2??e?e2??e?e2??ch5
?i?5(2)
sin?1?5i????ei?1?5i??e2i2i?i?1?5i??ei?5?e2i5?5e?cos1?isin1??e??cos1?isin1?e?e25?5?sin1?i?e?e25?5cos1
etan?3?i??sin?3?i?cos?3?i??ei?3?i??e?i?3?i?i?3?i?sin6?isin22i??i?3?i?22?e2?ch1?sin3?2i(3)
sinz2(4)
?12i2??e2?y?xi?ey?xi??sinx?chy?icosx?shy222?sinx?chy?cosx?shy222222?sinx??chy?shy???cosx?sinx??shy2?sinx?shyarcsini??iln?i?1?i222(5)
???iln?1?2?k?0,?1,???i?ln?2?1??i2kπ???????????i?ln?2?1??i?π?2kπ??arctan?1?2i???i2ln
1?i?1?2i?i?21????ln???i?1?i?1?2i?2?55?arctan2?i4?ln5?kπ?12(6)
19. 求解下列方程 (1) sinz=2. 解:
z?arcsin2????i?ln?2??1iln?2i?
3i???ln???2?3?i??1???3???2k??πi??2??3?,k?0,?1,?1????2k??π?iln?2??2?z(2)e?1?3i?0
z解:e?1?3i 即
z?ln?1?3i??ln2?iπ3?2kπi1???ln2??2k??πi3??
(3)
lnz?π2i
π2iπlnz?解:
2即z?e?ii
(4)z?ln?1?i??0
z?ln?1?i??ln2?i?π4?2kπi?ln1??2??2k??πi?4?.
解:
20. 若z=x+iy,求证 (1) sinz=sinxchy+icosx?shy 证明:
sinz??e?e2i12i.?eiz?iz?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|2=sin2x+sh2y
证明:
sinz?12i?e?y?xi?ey?xi??sinx?chy?icosx?shy2
sinz?sinxchy?cosx.shy222222?sinx?chy?shy???cosx?sinx?shy2222
?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?12i?eiz?e?iz??1??e?y?xi?ey?xi?2i
?ey?xisinz?12?e?y?y?xi ∴
e?y?xi?eey?xi?ey
22而
当y→+∞时,e-y→0,ey→+∞有|sinz|→∞. 当y→-∞时,e-y→+∞,ey→0有|sinz|→∞. cos?x?iy??1e?y?xisinz≥1?e?y?xi?ey?xi??1?e?yy?e?2同理得
所以当y→∞时有|cosz|→∞.
?ey?xi≥12?e?y?ey?
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