复级数

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纲要

  • 复级数

    复常数项、函数项级数、收敛性与判别法

  • 幂级数与 Taylor 级数

    收敛圆、解析性、Taylor 级数

  • 双边幂级数与 Laurent 级数

    收敛环、Laurent 展开

  • 零点与奇点

    零点、零点孤立性、孤立奇点、可去奇点、极点、本性奇点

一、复级数

复常数项级数

  • 定义:无穷求和 S≔∑k=1+∞ckS \coloneqq \sum_{k = 1}^{+\infty}c_k 称为 复常数项级数,其中 ck∈Cc_k \in \mathbb{C},有时简写为 ∑kck\sum_k c_k
  • 定义:考虑级数 ∑kck\sum_k c_k,以及其 部分和

    Sn≔∑k=1nck S_n \coloneqq \sum_{k = 1}^n c_k

    若 lim⁡n→+∞Sn\lim_{n \to +\infty} S_n 存在 且为 有限 值 ss,则称该级数 收敛 到 ss;否则称该级数 发散。

复常数项级数

发散

发散的可能情况:

  • 部分和趋于无穷大,lim⁡n→+∞Sn=∞\lim_{n \to +\infty}S_n = \infty
  • 部分和震荡

复常数项级数

  • 判断一个复常数项级数是否收敛有的基本方法

  • 复常数项级数跟实常数项级数的收敛 相容。记每一项的实虚分解 ck=ak+ibkc_k = a_k + i b_k,则 ∑kck\sum_k c_k 收敛等价于两个实常数项级数 ∑kak\sum_k a_k 与 ∑kbk\sum_kb_k 同时收敛。

    难点

    复杂的复级数的实虚分解难以获得通项,且实级数本身的收敛性也不易判定。

    后面讨论解析函数项级数的收敛性,应当充分利用复数与复变函数的性质

Cauchy 判别法

  • Cauchy 判别法/判敛准则:复常数项级数 S≔∑kckS \coloneqq \sum_k c_k 收敛,等价于说,对于 ∀ϵ>0\forall \epsilon > 0,存在一个 nϵ∈Nn_\epsilon \in \mathbb{N},使得对于 ∀n>nϵ\forall n > n_\epsilon,∀p∈N+\forall p \in \mathbb{N}^+ 都有

    ∣Sn+p−Sn∣=∣∑k=n+1n+pck∣<ϵ\Big| S_{n + p} - S_n \Big| = \Bigg| \sum_{k = n + 1}^{n + p} c_k \Bigg| < \epsilon

    直观理解

    要想无穷级数收敛,「后段」的求和应当非常小,小于任意选定的精度 ϵ\epsilon,而这个「后段」由 nϵn_\epsilon 为标准确定。遗憾这个判别法比较难用。

Cauchy 判别法

必要条件

选 p=1p = 1,若级数 ∑kck\sum_k c_k 收敛,则 lim⁡k→+∞ck=0\lim_{k \to +\infty} c_k = 0。

有限项

在级数中更改有限项不会改变收敛性

绝对收敛

  • 定义:复常数项级数 S=∑kckS = \sum_k c_k 所对应的正项级数 ∑k∣ck∣\sum_k |c_k| 若收敛,则称原级数 绝对收敛;收敛但非绝对收敛则称为 条件收敛

  • 定理:绝对收敛必然导致收敛

    因为 ∣∑k=1pcn+k∣<∑k=1p∣cn+k∣|\sum_{k = 1}^{p} c_{n + k}| < \sum_{k = 1}^{p} |c_{n + k}|

    收敛强度排行榜

    我们有如下收敛强度排行榜

    发散 << 收敛 << 绝对收敛

其它判别法

  • 在日常生活中,我们往往需要根据实际情况运用 Cauchy 以外的判别法:Abel 判别法 与 Dirichlet 判别法
  • Abel 判别法:倘若实数数列 {rk}\{r_k\} 单调有界,复级数 ∑kck\sum_k c_k 收敛,则 ∑krkck\sum_k r_k c_k 收敛。

其它判别法

说明

实 数数列 单调有界,因此必然有 有限的渐近值,rk≫1∼r∞r_{k \gg 1} \sim r_\infty。因此无穷求和可以分解为

∑krkck∼∑k=1K≫1rkck+∑k=K+1+∞r∞ck\sum_k r_k c_k \sim \sum_{k = 1}^{K \gg 1} r_k c_k + \sum_{k = K+1}^{+\infty} \purple{r_\infty} c_k

其它判别法

  • Dirichlet 判别法:若实数列 {rk}\{r_k\} 单调趋零,{ck}\{c_k\} 的 部分和有界,则 ∑krkck\sum_k r_k c_k 收敛。

    说明

    部分和 ∑k=1nck\sum_{k = 1}^n c_k 有界,因此就算不收敛,也只是在做 有限度的震荡。引入 衰减因子 rkr_k 就迫使 ∑krkck\sum_k r_k c_k 部分和震荡越来越小,因此收敛。

    Abel 判别法是 Dirichlet 判别法的推论:{rk−r∞}\{r_k - r_\infty\} 单调趋零,∑kck\sum_kc_k 收敛导致部分和有界

其它判别法

总结

Abel 与 Dirichlet 判别法适用于复合级数 ∑krkck\sum_k r_k c_k。

rkr_k ckc_k
Abel 单调有界 级数收敛
Dirichlet 单调趋零 部分和有界

级数判敛:例子

  • 调和级数 ∑k1k\sum_k \frac{1}{k}:发散级数

  • 黎曼 ζ\zeta 级数

    ζ(s)≔∑k1ks={发散,0<s≤1收敛,s>1\zeta(s) \coloneqq \sum_{k} \frac{1}{k^s} = \left \{ \begin{array}{cc} \text{发散,} & 0 < s \le 1 \\ \text{收敛,} & s > 1 \end{array}\right.

    特殊值

    Riemann ζ\zeta 函数有一些有趣的特殊值,比如

    ∑k=1+∞1k2=π26,∑k=1+∞1k4=π490,∑k=1+∞1k6=π6945\sum_{k = 1}^{+\infty} \frac{1}{k^2} = \frac{\pi^2}{6}, \qquad \sum_{k = 1}^{+\infty} \frac{1}{k^4} = \frac{\pi^4}{90}, \qquad \sum_{k = 1}^{+\infty} \frac{1}{k^6} = \frac{\pi^6}{945}

级数判敛:例子

  • 例:考虑级数

    ∑keikθks,0<θ<2π,s>0\sum_k \frac{e^{i k \theta}}{k^s}, \qquad 0 < \theta < 2\pi, s > 0

    论证当 s>1s > 1 时,级数 绝对收敛,而 0<s≤10 < s \le 1 时级数 收敛 但 不绝对收敛。

级数判敛:例子

证明

∑k∣eikθks∣=∑k1ks\sum_k \bigg| \frac{e^{i k \theta}}{k^s} \bigg| = \sum_k \frac{1}{k^s}

利用前面 ζ\zeta-函数的讨论,s>1s > 1 时,级数 绝对收敛,当 0<s≤10 < s \le 1 时级数 非绝对收敛 的。

级数判敛:例子

证明

要证明 0<s≤10 < s \le 1 时级数收敛,记 rk≔k−sr_k \coloneqq k^{-s},ck≔eikθc_k \coloneqq e^{i k \theta}。显然,rkr_k 单调趋零 (因 s>0s > 0)。而 cc 级数部分和可以用等比数列求和公式,

∣∑k=1nck∣=∣eiθ(1−einθ)1−eiθ∣=∣eiθ2ei2nθ×e−i2nθ−e+i2nθe−i2θ−e+i2θ∣\bigg|\sum_{k = 1}^n c_k \bigg| = \bigg| \frac{e^{i \theta}(1 - e^{i n \theta})}{1 - e^{i\theta}} \bigg| = \bigg| e^{\frac{i\theta}{2}} e^{\frac{i}{2} n \theta} \times \frac{e^{- \frac{i}{2} n \theta} - e^{+ \frac{i}{2} n \theta}}{e^{- \frac{i}{2} \theta} - e^{+ \frac{i}{2} \theta}} \bigg|

∣∑k=1nck∣=∣sin⁡nθ2sin⁡θ2∣<1∣sin⁡θ/2∣\bigg|\sum_{k = 1}^n c_k \bigg| = \bigg| \frac{\sin \frac{n \theta}{2}}{\sin \frac{\theta}{2}} \bigg| < \frac{1}{|\sin \theta/2|}

因此 cc 部分和有界。于是由 Dirichlet 判别法,原级数收敛。

复函数项级数

等比级数求和

即使是复数,依然有等比数列 有限项 求和公式,即对于任意 z∈Cz \in \mathbb{C},

∑k=1Nzk=z1−zN1−z,N∈N\sum_{k = 1}^{N} z^k = z \frac{1 - z^N}{1 - z}, \qquad N \in \mathbb{N}

这是因为代数恒等式 (可以通过数学归纳法证明)

1−z2= (1−z)(1+z),1−z3=(1−z)(1+z+z2),⋯ ,1−zN= (1−z)(1+z+z2+⋯+zN−1)\begin{align*} 1 - z^2 = & \ (1 - z) (1 + z), \quad 1 - z^3 = (1 - z)(1 + z + z^2), \\ \cdots, \quad 1 - z^N = & \ (1 - z)(1 + z + z^2 + \cdots + z^{N - 1}) \end{align*}

复函数项级数

正弦余弦求和

上述等比级数可以得到实部和虚部求和公式,

∑k=1Ncos⁡(kθ)=cos⁡((N+1)θ2)sin⁡(Nθ2)1sin⁡(θ/2)\sum_{k = 1}^{N} \cos (k \theta) = \cos \left({\frac{(N + 1)\theta}{2}}\right) \sin \left({\frac{N\theta}{2}}\right) \frac{1}{\sin (\theta/2)}

∑k=1Nsin⁡(kθ)=sin⁡((N+1)θ2)sin⁡(Nθ2)1sin⁡(θ/2)\sum_{k = 1}^{N} \sin (k \theta) = \sin \left({\frac{(N + 1)\theta}{2}}\right) \sin \left({\frac{N\theta}{2}}\right) \frac{1}{\sin (\theta/2)}

  • 利用 z=eiθz = e^{i \theta}

    z1−zN1−z=zzN/2z1/2z−N/2−zN/2z−1/2−z1/2=ei2(N+1)θsin⁡Nθ2sin⁡θ2z\frac{1 - z^N}{1 - z} = z\frac{z^{N/2}}{z^{1/2}} \frac{z^{-N/2} - z^{N/2}}{z^{-1/2} - z^{1/2}} = e^{\frac{i}{2}(N + 1)\theta} \frac{\sin \frac{N\theta}{2}}{\sin \frac{\theta}{2}}

复函数项级数

  • 定义:无穷求和 S(z)=∑kfk(z)S(z) = \sum_k f_k(z) 中若所有 fk(z)f_k(z) 在相同定义域 EE 上有定义,则称为一个 复函数项级数,其 部分和 Sn(z)≔∑k=1nfk(z)S_n(z) \coloneqq \sum_{k = 1}^n f_k(z)。

复函数项级数的收敛性

  • 复函数项级数具有几种不同的收敛性

  • 定义:对于上述复函数项级数以及一个 给定 的点 z∈Ez \in E,若极限 lim⁡n→∞Sn(z)\lim_{n \to \infty} S_n(z) 存在且为 有限值 s(z)s(z),则称该级数在 zz 点处 收敛 到 s(z)s(z)。

  • 定义:对于上述复函数项级数,若对 任意 z∈Ez \in E,极限 lim⁡n→∞Sn(z)\lim_{n \to \infty} S_n(z) 存在且为 有限值 s(z)s(z),则称该级数在 定义域上收敛 到 s(z)s(z),而 s(z)s(z) 称为该级数的 和函数。

    和函数性质

    尽管函数 s(z)s(z) 存在且有限,但一般而言 不具有 良好的解析性质。

复函数项级数的收敛性

  • 上述收敛性也可以改用 ϵ,n\epsilon,n 语言重新表述。

  • 收敛性定义等价表述:级数 ∑kfk(z)\sum_k f_k(z) 在 DD 内 收敛到 s(z)s(z) 等价于说,对 ∀ϵ>0\forall \epsilon > 0 以及 ∀z∈D\forall z \in D,都 ∃nϵ(z)∈N\exists n_\epsilon(z) \in \mathbb{N},使得对 ∀n>nϵ(z)\forall n > n_\epsilon(z) 都有

    ∣Sn(z)−s(z)∣<ϵ\bigg| S_n(z) - s(z) \bigg| < \epsilon

    足够多项

    当级数收敛,则求和「足够多项」之后,部分和就会非常接近和函数 s(z)s(z)。给定目标精度 ϵ\epsilon,「足够多」的标准由 nϵ(z)n_\epsilon(z) 确定,这个标准 与 zz 有关。

一致收敛

  • 对上述表述稍作改动,即可定义 定义域上一致收敛性
  • 定义:考虑级数 ∑kfk(z)\sum_k f_k(z) 在定义域 EE 上定义,若对 ∀ϵ>0\forall \epsilon > 0 以及 ∀z∈E\forall z \in E,都 ∃nϵ∈N\exists n_\epsilon \in \mathbb{N},使得对 ∀n>nϵ\forall n > n_\epsilon 都有 ∣Sn(z)−s(z)∣<ϵ\big| S_n(z) - s(z) \big| < \epsilon,则称该级数在 EE 内一致收敛。

一致收敛

一致收敛

给定精度 ϵ\epsilon 之后,「足够多项」的标准 nϵn_\epsilon 与 zz 无关。

收敛但非一致收敛

  • 从定义上看,一致收敛 强于 收敛

  • 有很多 收敛 但 非 一致收敛的复函数项级数。

一致收敛

收敛但不一致收敛

若级数 ∑kfk(z)\sum_k f_k(z) 在 区域 DD 内 收敛,但是 非一致收敛,说明当 ϵ\epsilon 很小的时候,「足够多项」的标准 nϵ(z)n_\epsilon(z) 在 DD 内随 zz 变化且不断上涨 没有上限,无法约定同一的标准 nϵn_\epsilon

 ~

由于 nϵ(z)n_\epsilon(z) 在 DD 内没有上限,说明 zz 趋于某一些点 z∗∈∂Dz_* \in \partial D 时,nϵ(z)n_\epsilon(z) 无限增大,收敛性 急剧恶化,并在 z∗z_* 处级数 不收敛

一致收敛

缩小定义域

若级数在定义域 EE 内 收敛 但 非 一致收敛,可以考虑 缩小定义域 到 E′⊂EE' \subset E,有可能在 E′E' 内 一致收敛。

类比连续性与一致连续性

Cauchy 一致判别法

  • 一致收敛有一个最基本的 Cauchy 判别法

  • Cauchy 一致收敛判别法:级数 ∑kfk(z)\sum_k f_k(z) 在定义域上 一致收敛,等价于说,对于 ∀ϵ>0\forall \epsilon > 0,都 ∃nϵ∈N\exists n_\epsilon \in \mathbb{N},使得对 ∀n>nϵ\forall n > n_\epsilon,∀p∈N\forall p \in \mathbb{N} 以及 ∀z∈\forall z \in 定义域,都有

    ∣∑k=n+1n+pfk(z)∣<ϵ\bigg| \sum_{k = n + 1}^{n + p} f_k(z) \bigg| < \epsilon

    后段标准

    大致意思是「后段」部分和总可以任意小,而「后段」的标准可以做到 全定义域统一 nϵn_\epsilon。

绝对 vs 一致

  • 一致 收敛与 绝对 收敛均强于普通收敛。谁更强?

绝对 vs 一致

  • 例:证明下面级数在全 C\mathbb{C} 一致收敛,但 非绝对收敛,

    ∑k(−1)k−1k+g(z,zˉ),g(z,zˉ)≥0\sum_{k} \frac{(-1)^{k - 1}}{k + g(z, \bar z)}, \qquad g(z, \bar z) \ge 0

    证明

    可以利用 Cauchy 一致判别法,主要是分析后半段部分和,

    ∣∑k=n+1n+p(−1)k−1k+g(z,zˉ)∣\bigg| \sum_{k = n + 1}^{n + p} \frac{(-1)^{k - 1}}{k + g(z, \bar z)} \bigg|

绝对 vs 一致

证明

考虑两种情况。第一种是 p=2Np = 2N,此时

= ∣(−1)nn+1+g−(−1)nn+2+g+⋯+(−1)nn+2N−1+g−(−1)nn+2N+g∣= ∣1n+1+g−1n+2+g+⋯+1n+2N−1+g−1n+2N+g∣\begin{align*} = & \ \bigg| \frac{(-1)^n}{n + 1 + g} - \frac{(-1)^n}{n + 2 + g} + \cdots + \frac{(-1)^n}{n + 2N - 1 + g} - \frac{(-1)^n}{n + 2N + g} \bigg| \\ = & \ \bigg| \purple{\frac{1}{n + 1 + g} - \frac{1}{n + 2 + g}} + \cdots + \purple{\frac{1}{n + 2N - 1 + g} - \frac{1}{n + 2N + g}} \bigg| \end{align*}

每块紫色都是 大于零 的表达式,因此可以 去绝对值。

绝对 vs 一致

证明

重组 CP,

= 1n+1+g−1n+2+g+1n+3+g+⋯ ⋯−1n+2N−2+g+1n+2N−1+g−1n+2N+g\begin{align*} = & \ \frac{1}{n + 1 + g} \purple{ - \frac{1}{n + 2 + g} + \frac{1}{n + 3 + g}} + \cdots \\ & \ \cdots \purple{- \frac{1}{n + 2N - 2 + g} + \frac{1}{n + 2N - 1 + g}} - \frac{1}{n + 2N + g} \end{align*}

绝对 vs 一致

证明

每个紫色的东西都是 小于零 的表达式,因此当 p=2Np = 2N 时,

∣∑k=n+1n+p(−1)k−1k+g(z,zˉ)∣<(首项)1n+1+g(z,zˉ)\bigg| \sum_{k = n + 1}^{n + p} \frac{(-1)^{k - 1}}{k + g(z, \bar z)} \bigg| < (\text{首项}) \frac{1}{n + 1 + g(z, \bar z)}

当 p=2N+1p = 2N + 1 的时候,计算也类似,先 去绝对值,再作放缩法,

∣∑k=n+1n+p(−1)k−1k+g(z,zˉ)∣<(首项)1n+1+g(z,zˉ)\bigg| \sum_{k = n + 1}^{n + p} \frac{(-1)^{k - 1}}{k + g(z, \bar z)} \bigg| < (\text{首项}) \frac{1}{n + 1 + g(z, \bar z)}

绝对 vs 一致

证明

两种情况综合,

∣∑k=n+1n+p(−1)k−1k+g(z,zˉ)∣<1n+1+g(z,zˉ)<1n\bigg| \sum_{k = n + 1}^{n + p} \frac{(-1)^{k - 1}}{k + g(z, \bar z)} \bigg| < \frac{1}{n + 1 + g(z, \bar z)} < \frac{1}{n}

于是,对 ∀ϵ>0\forall\epsilon > 0,可以选任意足够大的自然数 nϵ>1ϵn_\epsilon > \frac{1}{\epsilon},自然导致 ∀n>nϵ>1ϵ\forall n > n_\epsilon > \frac{1}{\epsilon} 都有

∣∑k=n+1n+p(−1)k+1k+g(z,zˉ)∣<1n<1nϵ<ϵ\bigg|\sum_{k = n + 1}^{n + p} \frac{(-1)^{k + 1}}{k + g(z, \bar z)} \bigg| < \frac{1}{n} < \frac{1}{n_\epsilon} < \epsilon

绝对 vs 一致

证明

这个 nϵn_\epsilon 是 统一 的,使得上面不等式对所有的 z,zˉz, \bar z 都成立,因此级数 一致收敛。

但是,该级数 非绝对收敛,

∑k∣(−1)k−1k+g∣=∑k1k+g∼∑k1k→发散\sum_{k} \bigg| \frac{(-1)^{k - 1}}{k + g} \bigg| = \sum_k \frac{1}{k + g} \sim \sum_k \frac{1}{k} \to \text{发散}

绝对 vs 一致

  • 例:证明 几何级数/等比级数 ∑k=1+∞zk\sum_{k = 1}^{+\infty} z^k 在 N(0,1)N(0,1) 内 绝对收敛,但 非一致收敛

    证明

    • 先看绝对收敛。逐项取绝对值得到 收敛 的 无穷等比数列求和,

      ∑k=1+∞∣z∣k=∣z∣1−∣z∣∞1−∣z∣=∣z∣1−∣z∣,∣z∣<1\sum_{k = 1}^{+\infty} |z|^k = |z|\frac{1 - |z|^\infty}{1 - |z|} = \frac{|z|}{1 - |z|}, \qquad |z| < 1

    • 因此原级数 绝对收敛,因此原级数也 收敛,和函数为

      s(z)=lim⁡N→+∞Sn(z)=lim⁡N→+∞z1−zN1−z=z1−zs(z) = \lim_{N \to +\infty} S_n(z) = \lim_{N \to +\infty} z\frac{1 - z^N}{1 - z} = \frac{z}{1 - z}

绝对 vs 一致

证明

  • 下面利用 Cauchy 一致判别法看看是否 一致收敛。
  • 考虑后段部分和,

    ∣∑k=n+1n+pzk∣\bigg|\sum_{k = n + 1}^{n + p} z^k \bigg|

  • 任取一个 p∈Np \in \mathbb{N},比如 p=1p = 1,则上述部分和为 ∣zn+1∣|z^{n+1}|。若要

    ∣z∣n+1<ϵ⇒(n+1)ln⁡∣z∣<ln⁡ϵ⇒n+1>ln⁡ϵln⁡∣z∣|z|^{n + 1} < \epsilon \quad \Rightarrow \quad (n + 1)\ln|z| < \ln \epsilon \quad \Rightarrow \quad n + 1 > \frac{\ln \epsilon}{\ln |z|}

绝对 vs 一致

证明

∣z∣n+1<ϵ⇒(n+1)ln⁡∣z∣<ln⁡ϵ⇒n+1>ln⁡ϵln⁡∣z∣|z|^{n + 1} < \epsilon \quad \Rightarrow \quad (n + 1)\ln|z| < \ln \epsilon \quad \Rightarrow \quad n + 1 > \frac{\ln \epsilon}{\ln |z|}

但是这个表达式随着 z→1z \to 1 无限增大,因此 不存在 统一的 nϵn_\epsilon 使得

∣∑k=n+1n+pzk∣<ϵ,∀n>nϵ,∀p∈N\bigg|\sum_{k = n + 1}^{n + p} z^k \bigg| < \epsilon, \qquad \forall n > n_\epsilon, \forall p \in \mathbb{N}

原级数 非一致收敛。

绝对 vs 一致

和函数

与实几何级数类似,

∑k=1+∞zk=z1−z,∣z∣<1\sum_{k = 1}^{+\infty} z^k = \frac{z}{1 - z}, \qquad |z| < 1

在 z=1z = 1 处,级数发散,体现为 nϵ(z)→+∞n_\epsilon(z) \to +\infty

绝对 vs 一致

绝对 一致
∑k(−1)kk+g(z,zˉ)\sum_k \frac{(-1)^k}{k + g(z, \bar z)} 否 是
∑kzk\sum_k z^k 是 否

绝对 vs 一致

  • 一致收敛和绝对收敛均强于收敛,但二者之间 打成平手

绝对 vs 一致

  • 一致收敛和绝对收敛均强于收敛,但二者之间 打成平手

绝对一致

  • 存在一些级数,同时 绝对和一致收敛

  • 相应地,我们有一个简单的判别法。

  • Weierstrass-M 判别法:考虑级数 ∑kfk(z)\sum_k f_k(z),若存在 {Mk}\{M_k\} 为 正、常数数列 使得 ∑kMk\sum_k M_k 收敛,且对 ∀k\forall k 以及 ∀z∈\forall z \in 定义域,都满足

    ∣fk(z)∣≤Mk\bigg| f_k(z) \bigg| \le M_k

    则 ∑kfk(z)\sum_k f_k(z) 也在定义域内 绝对和一致收敛。

    简而言之,逐项 有常界,界级数 收敛 ⇒\Rightarrow 绝对 + 一致收敛。

绝对一致

  • 例:级数 ∑kzk\sum_k z^k 在 N(0,1)N(0,1) 非一致收敛。任选 r∈(0,1)r \in (0,1),级数在闭域 N(0,r<1)‾\overline{N(0, r < 1)} 上 绝对一致收敛。

    证明

    利用 Weierstrass-M 判别法,逐项 有 常界 rkr^k

    ∣zk∣=∣z∣k≤rk|z^k| = |z|^k \le r^k

    且界级数 ∑krk\sum_k r^k 收敛 (因为 0<r<10 < r < 1)。因此,原级数在 N(0,r)‾\overline{N(0, r)} 上 绝对一致收敛。

等比级数/几何级数总结

  • 许多级数的收敛性可以通过与一些标准级数进行比较来感知
  • 等比级数/几何级数 ∑kzk\sum_k z^k 是很好的一个标准级数
  • 记 S(z)≔∑k∈NzkS(z) \coloneqq \sum_{k \in \mathbb{N}}z^k
  • 显然,当 ∣z∣<1|z|< 1,级数 绝对收敛,因此该级数在 D=N(0,1)D = N(0, 1) 内 收敛
  • 显然级数在 z=1z = 1 处发散,因为 S(1)=1+1+1+⋯∼∞S(1) = 1 + 1 + 1 + \cdots \sim \infty
  • 因此,∂N(0,1)\partial N(0,1) 上有发散点,级数 S(z)S(z) 在 N(0,1)N(0,1) 内 非一致收敛

抽奖

  • eixe^{ix} 可以写成

    A. sin⁡x+cos⁡x\sin x + \cos x \quad B. sin⁡x+icos⁡x\sin x + i\cos x \quad C. isin⁡x+cos⁡xi \sin x + \cos x \quad isin⁡x+icos⁡xi\sin x + i \cos x

  • 1/z\sqrt{1/z} 的支点有哪些?

  • 1/i1/i 等于 (多选)

    A. ii \quad B. −i-i \quad C. i2i^2 \quad D. i3i^3

  • 下面哪个函数在 C\mathbb{C} 上处处解析?

    A. Re⁡z\operatorname{Re}z \quad B. Im⁡z\operatorname{Im}z \quad C. zˉ\bar z \quad D. eize^{i z}

抽奖

  • 考虑 w=z3w = z^3。w,zw, z 都是复数。随着 zz 发生移动,函数值 ww 也会随之在复平面上移动。倘若zz 绕着原点转一圈,请问 ww 绕转了原点几圈?
  • ln⁡z\ln z 是多值函数。Re⁡ln⁡z\operatorname{Re}\ln z 是否多值函数?

绝对一致

  • 例:证明下面级数作为 θ\theta 的复函数项级数,在定义域 θ∈R\theta \in \mathbb{R} 上绝对一致收敛,

    ∑keikθks,s>1,θ∈R\sum_k \frac{e^{i k \theta}}{k^s}, \qquad \orange{s > 1}, \qquad \theta \in \mathbb{R}

    证明

    由于 θ∈R\theta \in \mathbb{R},

    ∣eikθks∣=∣eikθ∣ks=1ks\bigg| \frac{e^{i k \theta}}{k^s} \bigg| = \frac{|e^{i k \theta}|}{k^s} = \frac{1}{k^s}

    利用 Weierstrass-M 判别法,逐项 有 常界 1ks\frac{1}{k^s},且界级数 ∑k1ks\sum_k \frac{1}{k^s} 在 s>1s > 1 时收敛。因此,原级数在 θ∈R\theta \in \mathbb{R} 上 绝对一致收敛。

一致收敛的好处

  • 一致收敛的级数有几大优良性质

  • 和函数连续:若级数 S(z)S(z) 在定义域上 逐项连续,且在定义域上 一致收敛 到和函数 s(z)s(z),则和函数 s(z)s(z) 在定义域上也 连续。

    一致收敛很重要

    若缺少一致收敛性,和函数有 可能不连续。考虑下面这个级数

    S(x)≔x+∑k=2(xk−xk−1)S(x) \coloneqq x + \sum_{k = 2} (x^k - x^{k - 1})

    这个级数在 定义域 [0,1][0,1] 上 收敛,但 非一致收敛。

一致收敛的好处

一致收敛很重要

  • 首先这级数是 收敛 的,和函数可以通过 部分和 求出来

    Sn(x)=x+∑k=2n(xk−xk−1)=xnS_n(x) = x + \sum_{k = 2}^{n}(x^k - x^{k - 1}) = x^n

  • 因此,和函数为

    s(x)=lim⁡n→+∞Sn(x)=lim⁡n→+∞xn={00≤x<11x=1s(x) = \lim_{n \to +\infty}S_n(x) = \lim_{n \to +\infty} x^n = \left \{\begin{array}{cc} 0 & 0 \le x < 1\\ 1 & x = 1 \end{array} \right.

  • 显然和函数 不连续。

一致收敛的好处

一致收敛很重要

有了和函数,就可以检查 一致收敛性。考虑 x∈(0,1)⊂[0,1]x \in (0,1) \subset [0, 1],

∣Sn(x)−s(x)∣<ϵ⇔∣xn−0∣<ϵ⇔nln⁡∣x∣<ln⁡ϵ\bigg|S_n(x) - s(x) \bigg| < \epsilon \quad \Leftrightarrow \quad \bigg| x^n - 0\bigg| < \epsilon \quad \Leftrightarrow \quad n \ln |x| < \ln \epsilon

因此可以选正整数 nϵ(x)>ln⁡ϵ/ln⁡∣x∣n_\epsilon(x) > \ln \epsilon/\ln |x|,但显然 nϵ(x→1)→∞n_\epsilon(x \to 1) \to \infty,即越接近 x=1x = 1,收敛性 越差,因此 不可能找到 全 [0,1][0,1] 统一的 nϵn_\epsilon,因此 非一致收敛。

11 附近的非一致收敛性导致和函数失去连续性。

一致收敛的好处

交换性

该结论也可以表述成交换性

lim⁡z→z0∑k=∑klim⁡z→z0\lim_{z \to z_0} \sum_k = \sum_k \lim_{z \to z_0}

上面反例则对应

0=lim⁡x→1(x+∑k=2+∞xk−xk−1)≠(lim⁡x→1x+∑klim⁡x→1(xk−xk−1))=10 = \lim_{x \to 1} (x + \sum_{k = 2}^{+\infty} x^k - x^{k - 1} ) \ne (\lim_{x \to 1} x + \sum_k \lim_{x \to 1} (x^k - x^{k - 1})) = 1

一致收敛的好处

  • 和函数可积:若级数 S(z)=∑kfk(z)S(z) = \sum_k f_k(z) 在曲线 CC 上 逐项连续,且在 CC 上 一致收敛 到 s(z)s(z),则和函数 s(z)s(z) 沿 CC 可积,且有等式

    ∫C∑k=1+∞fk(z)dz=∫Cs(z)dz=∑k=1+∞∫Cfk(z)dz\int_C \sum_{k = 1}^{+\infty}f_k(z) dz = \int_C s(z) dz = \sum_{k = 1}^{+\infty} \int_C f_k(z)dz

    积分求和交换

    对比上式左右两边,可以抽象地说是

    ∑k∫C=∫C∑k\sum_k \int_C = \int_C \sum_k

    即 积分 与 求和 可以 交换。这也是 一致收敛 的恩赐。

一致收敛的好处

  • Weierstrass 定理:若 S(z)=∑kfk(z)S(z) = \sum_k f_k(z) 在区域 DD 内 逐项解析,且在 DD 内的任意 有界子闭集 中 一致收敛 (简称 内闭一致收敛) 到 s(z)s(z),则和函数 s(z)s(z) 在 DD 内 解析,且逐项 pp-阶求导所得级数 ∑kfk(p)(z)\sum_k f^{(p)}_k(z) 在 DD 内同样 内闭一致收敛 到和函数的导数 s(p)(z)s^{(p)}(z)。

    求导求和交换

    抽象地说,

    ddz∑k=∑kddz\frac{d}{dz}\sum_k = \sum_k \frac{d}{dz}

二、泰勒级数

二、泰勒级数

二、泰勒级数

幂级数

  • 下面介绍一种简单又好用的函数项级数
  • 定义:形如 ∑kλk(z−a)k\sum_k \lambda_k (z - a)^k 的级数称为 幂级数,其中 a,λk∈Ca, \lambda_k \in \mathbb{C} 均为复常数。其中 aa 称为幂级数的 中心。
  • 我们关心幂级数的和函数的 解析性质,研究工具是一致收敛性、Weierstrass 定理
二、泰勒级数

幂级数

  • Abel 定理:设级数在 z0≠az_0 \ne a 处 收敛,则它必然在 N(a,∣z0−a∣)N(a, |z_0 - a|) 里头 绝对收敛 且 内闭一致收敛。

二、泰勒级数

幂级数

Abel 定理证明

先证 N(a,∣z0−a∣)N(a, |z_0 - a|) 内绝对收敛,即证明 ∑k∣λk(z−a)k∣\sum_k |\lambda_k (z - a)^k| 在 ∣z−a∣<∣z0−a∣|z - a| < |z_0 - a| 时收敛。

稍作改写

∣λk(z−a)k∣=∣z−az0−a∣k∣λk(z0−a)k∣|\lambda_k (z - a)^k| = \bigg| \frac{z - a}{z_0 - a} \bigg|^k |\lambda_k (z_0 - a)^k|

其中第二个因子 ∣λk(z0−a)k∣|\lambda_k(z_0 - a)^k| 有界 (记作 MM),因为原级数在 z0z_0 收敛。

二、泰勒级数

幂级数

Abel 定理证明

于是,作为正级数,

∣λk(z−a)k∣<M∣z−az0−a∣k|\lambda_k(z - a)^k| < M \bigg| \frac{z - a}{z_0 - a} \bigg|^k

从而根据 正级数的比较判别法 收敛,因此原级数 绝对收敛。

当 ∣z−a∣≤R<∣z0−a∣|z - a| \le R < |z_0 - a| 时,可以用 Weierstrass-M 判别法确定原级数 绝对一致收敛。关键在于 逐项有常界

∣λk(z−a)k∣<M∣z−az0−ak∣<M∣Rz0−a∣k\bigg|\lambda_k (z - a)^k \bigg| < M \bigg| \frac{z - a}{z_0 - a}^k \bigg| < M \bigg| \frac{R}{z_0 - a} \bigg|^k

二、泰勒级数

幂级数

  • 逆反命题:若 z0z_0 是 发散点,则在 N(a,∣z0−a∣)N(a, |z_0 - a|) 以外级数是 发散 的
  • 通过不断调整 z0z_0,可以寻找幂级数 最大 的绝对内闭一致收敛区域
二、泰勒级数

收敛圆周

  • 定理:以 aa 为中心的幂级数 S(z)S(z) 必然存在一个半径 RR,使得级数在 N(a,R)N(a, R) 内 绝对 收敛且 内闭一致收敛,而在 N(a,R)N(a, R) 的外面 发散,则

    • RR 称为 收敛半径
    • ∣z−a∣=R|z - a| = R 为 收敛圆周
    • 邻域 N(a,R)N(a, R) 称为 收敛圆 (盘)。

    收敛半径

    收敛半径可以取 零 或者 无穷大。

二、泰勒级数

收敛圆周

  • 考虑如下几个级数,计算它们的收敛半径

    ∑kzk,∑kλkzk,∑kλk−nzk,∑kλkk!zk\sum_k z^k, \qquad \sum_k \lambda^k z^k, \qquad \sum_k \lambda^{k - n} z^k, \qquad \sum_k \frac{\lambda^k}{k!}z^k

    计算

    • 第一个级数是几何级数,我们知道它在 ∣z∣<1|z| < 1 时绝对收敛,且当 ∣z∣≤r<1|z| \le r < 1 时 绝对一致收敛,∣z∣>1|z| > 1 发散。因此收敛半径 R=1R = 1。
    • 第二个级数可以通过定义 z′≔λzz' \coloneqq \lambda z 来分析。对于 z′z',收敛半径是 R′=1R' = 1。而 ∣λ∣R=R′=1|\lambda| R = R' = 1 说明原级数的 收敛半径 为 R=1/∣λ∣R = 1/|\lambda|。
二、泰勒级数

收敛圆周

  • 考虑如下几个级数,计算它们的收敛半径

    ∑kzk,∑kλkzk,∑kλk−nzk,∑kλkk!zk\sum_k z^k, \qquad \sum_k \lambda^k z^k, \qquad \sum_k \lambda^{k - n} z^k, \qquad \sum_k \frac{\lambda^k}{k!}z^k

    计算

    第三个级数跟第二个级数类似,先把 λ−n\lambda^{-n} 提出求和号外,重定义 z′=λzz' = \lambda z,R=1/∣λ∣R = 1/|\lambda|。

    第四个级数考虑 z∈Rz \in \mathbb{R} 便得到 eλze^{\lambda z},至少在 全 R\mathbb{R} 收敛,因此原幂级数收敛半径是 R=+∞R = +\infty。

二、泰勒级数

收敛圆周

  • 上述定理明确了收敛圆周 内 和 外 的行为:圆周内具有 良好收敛性,圆周外 发散
  • 收敛圆周上 级数的收敛性需要具体问题具体分析,并不确定
    • 例子:几何级数 ∑kzk\sum_k z^k 在整个收敛圆周 ∣z∣=1|z| = 1 都 发散
    • 例子:∑k1kzk\sum_k \frac{1}{k}z^k 的收敛圆周为 ∣z∣=1|z| = 1,在圆周上 几乎处处收敛,除了在 z=1z = 1 处 发散
    • 例子:∑k1k2zk\sum_k \frac{1}{k^2}z^k 的收敛圆周为 ∣z∣=1|z| = 1,在圆周上处处 绝对收敛
二、泰勒级数

收敛半径求解

几何级数在收敛圆周上发散

几何级数 ∑kzk\sum_k z^k 在 收敛圆周 上 发散。

  • 当 z=1z = 1 时,显然 1+1+⋯1 + 1 + \cdots 发散。
  • 当 z=−1z = -1 时,1−1+1−1+1−1+⋯1 - 1 + 1 - 1 + 1 - 1 + \cdots 部分和 SNS_N 在 1,01, 0 之间 来回跳动,没有极限,级数也 发散。

  • 当 z=eiθz = e^{i\theta} 时,∑keikθ\sum_k e^{ik\theta} 的部分和为 eiθ(1−eiNθ)1−eiθ\frac{e^{i\theta}(1-e^{iN\theta})}{1-e^{i\theta}},当 θ≠0,2π\theta \neq 0, 2\pi 时,分母不为零,但分子的模长为 ∣1−eiNθ∣≤2|1-e^{iN\theta}| \le 2,所以部分和有界但不收敛。

二、泰勒级数

收敛半径求解

  • 对于幂级数,收敛半径是非常重要的量

  • 如何求收敛半径? Cauchy + d'Alembert

  • Cauchy 法:对于幂级数 ∑kλkzk\sum_k \lambda_k z^k,取系数绝对值 ∣λk∣|\lambda_k|,若

    lim‾⁡k→∞∣λk∣1/k=ℓ∈R∪{∞} , \varlimsup_{k \to \infty} |\lambda_k|^{1/k} \green{= \ell} \in \mathbb{R} \cup \{\infty\} \ ,

    则收敛半径 R=1/ℓR = 1/\ell

    上极限
    这里涉及 lim‾⁡k→∞\displaystyle\varlimsup_{k \to \infty} 称为 上极限,即取所有收敛子序列的极限的最大值。

二、泰勒级数

收敛半径的求解

  • 基准例子:∑kλkzk\sum_k \lambda^k z^k

    计算

    直接计算得到 ∣λk∣1/k=∣λk∣1/k=∣λ∣|\lambda_k|^{1/k} = |\lambda^k|^{1/k} = |\lambda|,因此

    ℓ=lim‾⁡k→+∞∣λk∣1/k=∣λ∣ . \ell = \varlimsup_{k \to +\infty} |\lambda_k|^{1/k} = |\lambda| \ .

    从而收敛半径为熟知的 R=1/ℓ=1/∣λ∣R = 1/\ell = 1/|\lambda|。

二、泰勒级数

收敛半径的求解

  • 例子:∑k(λ+(−1)k)kzk\sum_k (\lambda + (-1)^k)^k z^k,其中 λ>1\lambda > 1

    计算

    记 λk≔(λ+(−1)k)k\lambda_k \coloneqq (\lambda + (-1)^k)^k,则显然 {∣λk∣1/k}\{|\lambda_k|^{1/k}\} 不收敛。但是,这个数列包含 收敛的子数列,可以用 Cauchy,

    {∣λ2n∣12n}={λ+1},{∣λ2n+1∣12n+1}={λ−1}\{|\lambda_{2n}|^{\frac{1}{2n}}\} = \{\lambda + 1\}, \qquad \{|\lambda_{2n + 1}|^{\frac{1}{2n + 1}}\} = \{\lambda - 1\}

    由于 λ>1\lambda > 1,因此 λ+1\lambda + 1 更大,从而 lim‾⁡k→∞∣λk∣1/k=λ+1\varlimsup_{k \to \infty}|\lambda_k|^{1/k} = \lambda + 1,收敛半径为

    R=1λ+1 R = \frac{1}{\lambda + 1}

二、泰勒级数

收敛半径的求解

求解

两个收敛 子数列 其实对应两个 子级数,原级数等于

=∑k=0+∞(λ+1)2kz2k+∑k=0+∞(λ−1)2k+1z2k+1 .= \sum_{k = 0}^{+\infty} (\lambda + 1)^{2k} z^{2k} + \sum_{k = 0}^{+\infty}(\lambda - 1)^{2k + 1} z^{2k + 1} \ .

这两个子级数的收敛半径都很容易求得,

R=1λ+1,1λ−1 .R = \frac{1}{\lambda + 1}, \qquad \frac{1}{\lambda - 1} \ .

显然,应该取相对 较小 的收敛半径 1λ+1\frac{1}{\lambda + 1} 才能让两个子级数 同时收敛:这个 较小 的收敛半径对应 较大 子序列极限。

二、泰勒级数

收敛半径的求解

  • d' Alembert 方法:对于幂级数 ∑kλkzk\sum_k \lambda_k z^k,如果

    lim⁡n→∞∣λk+1λk∣=ℓ∈R∪{∞} , \lim_{n \to \infty} \bigg| \frac{\lambda_{k + 1}}{\lambda_k} \bigg| = \ell \in \mathbb{R} \cup \{\infty\} \ ,

    则收敛半径 R=1/ℓR = 1/\ell。

    ∣λk+1/λk∣|\lambda_{k + 1}/\lambda_k| 越大,说明系数 增长越快,收敛半径 越小。

二、泰勒级数

收敛半径的求解

  • 基准例子:还是几何级数 ∑kλkzk\sum_k \lambda^k z^k。

    求解

    直接算,

    ∣λk+1λk∣=∣λ∣,ℓ=lim⁡k→∞∣λk+1λk∣=∣λ∣ ,\bigg| \frac{\lambda_{k + 1}}{\lambda_k} \bigg| = |\lambda|, \qquad \ell = \lim_{k \to \infty}\bigg| \frac{\lambda_{k + 1}}{\lambda_k} \bigg| = |\lambda|\ ,

    从而 R=1/∣λ∣R = 1/|\lambda|。

二、泰勒级数

收敛半径的求解

  • 例子:假设 lim⁡k→∞∣λk+1/λk∣\lim_{k \to \infty} \Big|\lambda_{k + 1}/\lambda_k \Big| 存在,比较 ∑kλkzk\sum_k \lambda_k z^k 与 ∑kkλkzk\sum_k k \lambda_k z^k 的收敛半径。

    求解

    根据题设,可以使用 d' Alembert 方法,对于第二个级数,

    1R2=lim⁡k→∞∣(k+1)λk+1kλk∣=lim⁡k→∞∣k+1kλk+1λk∣=lim⁡k→∞∣λk+1λk∣=1R1\frac{1}{R_2} = \lim_{k \to \infty} \bigg| \frac{(k + 1)\lambda_{k + 1}}{k \lambda_k} \bigg| = \lim_{k \to \infty} \Bigg|\frac{k + 1}{k} \frac{\lambda_{k + 1}}{\lambda_k}\Bigg| = \lim_{k \to \infty} \Bigg|\frac{\lambda_{k + 1}}{\lambda_k}\Bigg| = \frac{1}{R_1}

    因此,两个级数的收敛半径 相等。

二、泰勒级数

收敛半径的求解

  • 例:求下面级数的收敛半径,

    ∑kk!kkzk \sum_k \frac{k!}{k^k} z^k

    求解

    用 d' Alembert 方法,

    ℓ=lim⁡k→∞(k+1)!(k+1)k+1×kkk!= lim⁡k→∞(k+1)kk(k+1)k+1=lim⁡k→∞kk(k+1)k= lim⁡k→∞1(1+1k)k=1e . \begin{align*} \ell = \lim_{k \to \infty} \frac{(k + 1)!}{(k + 1)^{k + 1}} \times \frac{k^k}{k!} = & \ \lim_{k \to \infty} \frac{(k + 1)k^k}{(k + 1)^{k + 1}} = \lim_{k \to \infty} \frac{k^k}{(k + 1)^k} \\ = & \ \lim_{k \to \infty} \frac{1}{(1 + \frac{1}{k})^k} = \frac{1}{e} \ . \end{align*}

二、泰勒级数

收敛半径的求解

Stirling 公式

上面的极限说明,当 更严格地有 Stirling 公式

k!kk∼2πk(1e)k\frac{k!}{k^k} \sim \sqrt{2\pi k} \left(\frac{1}{e}\right)^k

不管是 Cauchy 还是 d' Alembert 方法,其实暗中都是在与标准几何级数 ∑kℓkzk\sum_k \ell^k z^k 进行比较,寻找一个系数增长行为相近的几何级数。

二、泰勒级数

和函数

  • 幂级数在收敛圆内有 内闭一致收敛性,和函数具有一些优良性质

  • 定理:在收敛圆内,幂级数的和函数 解析,求导、积分均与无穷求和 交换,且交换后 收敛半径不变。

二、泰勒级数

Taylor 级数

  • 实变函数可以在可导点进行 Taylor 展开,展开到一定阶可以作为原函数的近似
  • 复解析函数也可以在解析点附近做 Taylor 展开
二、泰勒级数

Taylor 级数

  • 定理:考虑在 N(a,R)N(a, R) 内的解析函数 f(z)f(z)。对 ∀z∈N(a,R)\forall z \in N(a, R),必然有 Taylor 展开式 (C⊂N(a,R)C \subset N(a,R))

    f(z)=∑n=0+∞[∮Cdζ2πif(ζ)(ζ−a)n+1](z−a)n=∑n=0+∞1n!f(n)(a)(z−a)nf( z) = \sum _{n=0}^{+\infty } \orange{\left[\oint _{C}\frac{d\zeta }{2\pi i}\frac{f( \zeta )}{( \zeta -a)^{n+1}}\right]}( z-a)^{n} = \sum_{n = 0}^{+\infty} \orange{\frac{1}{n!} f^{(n)}(a)}(z - a)^n

    Taylor 级数

    级数在 N(a,R)N(a, R) 内 内闭一致收敛 到 f(z)f(z),系数是 ff 在 aa 处的 各阶导数

    [∮Cdζ2πif(ζ)(ζ−a)n+1]=1n!f(n)(a)\left[\oint _{C}\frac{d\zeta }{2\pi i}\frac{f( \zeta )}{( \zeta -a)^{n+1}}\right] = \frac{1}{n!}f^{(n)}(a)

二、泰勒级数

Taylor 级数

  • 解析函数 ff 的 Taylor 展开式包含如下要素

    • 展开中心 a∈N(a,R)a \in N(a, R)
    • 采样点 z∈N(a,R)z \in N(a, R)
    • 围道 C=∂N(a,ρ)C = \partial N(a, \rho),ρ<R\rho < R
    • 围道积分变量 ζ\zeta

二、泰勒级数

Taylor 级数

唯一性

给定解析函数以及 展开中心,Taylor 展开是 唯一 的

采样点的位置

采样点 zz 和 积分路径 CC 都在解析区 N(a,R)N(a, R) 内,二者相对位置可以 随意。

二、泰勒级数

Taylor 级数

Taylor 级数的证明

Taylor 级数源于 Cauchy 积分公式。由于 ff 在 N(a,R)N(a, R) 内解析,先假设 zz 位于 CC 的 内部,有

f(z)= ∮Cdζ2πif(ζ)ζ−z=∮Cdζ2πif(ζ)(ζ−a)−(z−a)= ∮Cdζ2πi1ζ−af(ζ)1−z−aζ−a=∮Cdζ2πi1ζ−af(ζ)∑n=0+∞(z−aζ−a)n= ∑n=0+∞[∮Cdζ2πif(ζ)(ζ−a)n+1](z−a)n\begin{align*} f(z) = & \ \oint_C \frac{d\zeta}{2\pi i} \frac{f(\zeta)}{\zeta - z} = \oint_C \frac{d\zeta}{2\pi i} \frac{f(\zeta)}{(\zeta - a) - (z - a)} \\ = & \ \oint_C \frac{d\zeta}{2\pi i} \frac{1}{\zeta - a} \frac{f(\zeta)}{1 - \purple{\frac{z - a}{\zeta - a}}} = \oint_C \frac{d\zeta}{2\pi i} \frac{1}{\zeta - a}f(\zeta) \sum_{n = 0}^{+\infty} \left(\purple{\frac{z - a}{\zeta - a}}\right)^n \\ = & \ \sum_{n = 0}^{+\infty} \left[\oint_C \frac{d\zeta}{2\pi i} \frac{f(\zeta)}{(\zeta - a)^{n + 1}}\right] (z - a)^n \end{align*}

二、泰勒级数

Tayler 级数

证明最后用到求和与积分交换,应事先验证 一致收敛性,此处省略。

二、泰勒级数

Taylor 级数

Taylor 级数的证明

基于 zz 在 CC 内部 的假设,我们得到了

f(z)=∑n=0+∞[∮Cdζ2πif(ζ)(ζ−a)n+1](z−a)nf(z) = \sum_{n = 0}^{+\infty} \left[\oint_C \frac{d\zeta}{2\pi i} \frac{f(\zeta)}{(\zeta - a)^{n + 1}}\right] (\red{z} - a)^n

至此,CC 与 z\red{z} 的 相对位置 就 可以变动 了,因为系数

∮Cdζ2πif(ζ)(ζ−a)n+1\oint_C \frac{d \zeta}{2\pi i} \frac{f(\zeta)}{(\zeta - a)^{n + 1}}

与 CC 的具体大小无关,只要 CC 位于 解析区内,且包围 aa。

二、泰勒级数

Taylor 级数

收敛半径

Taylor 展开系数通式通常 难以获得,因此难以直接从展开表达式求 收敛半径

通常,收敛半径为中心 aa 到 最近 的 f(z)f(z) 奇点的距离。

一个最简单的例子是 (z−1)−1(z - 1)^{-1}。以 00 为展开中心,其最近的奇点为 11,二者距离为 11。相对应地,其 Taylor 展开为 ∑n=0+∞zn\sum^{+\infty}_{n = 0}z^n,收敛半径的确就是 11。

二、泰勒级数

常见函数的Taylor 级数

  • 单值 解析函数跟实变函数的 Taylor 展开式一样的,比如下面这些例子

    ez= ∑k=0+∞1k!zk,1z−a= −∑k=0+∞1ak+1zk,sin⁡z= ∑k=0+∞(−1)k(2k+1)!z2k+1,cos⁡z= ∑k=0+∞(−1)k(2k)!z2k\begin{align*} e^z = & \ \sum_{k = 0}^{+\infty} \frac{1}{k!}z^k , & \frac{1}{z-a} = & \ - \sum_{k = 0}^{+\infty} \frac{1}{a^{k + 1}}z^k, \\ \sin z = & \ \sum_{k = 0}^{+\infty} \frac{(-1)^{k}}{(2k + 1)!} z^{2k + 1} , & \cos z = & \ \sum_{k = 0}^{+\infty} \frac{(-1)^{k}}{(2k)!} z^{2k} \end{align*}

  • 多值 解析函数的 Taylor 展开需要先指定单值分支,即确定割线以及割线外一点处的函数值。
二、泰勒级数

实光滑函数与复解析函数

  • 复解析函数必然 无穷阶 复可导

    导数 == 积分

  • 复解析函数的 Taylor 展开与对应的实光滑 (无穷阶可导) 函数长相一样
  • 幻觉:在泰勒展开问题上 实光滑 跟 复解析 没任何区别
  • 实际上:实光滑函数的 Taylor 展开性质要诡异得多
二、泰勒级数

实光滑函数与复解析函数

  • 考虑函数

    f(x)={e−1/x2,x≠00x=0f(x) = \left \{\begin{array}{cc} e^{- 1/x^2}, & x \ne 0\\ 0 & x = 0 \end{array}\right.

  • 直接计算可得,x=0x = 0 非常光滑,无穷阶可导

    f(0)=0,f(1)(0)=f(2)(0)=f(3)(0)=⋯=0f(0) = 0, \quad f^{(1)}(0) = f^{(2)}(0) = f^{(3)}(0) = \cdots = 0

  • 以 原点 为中心做 实变函数 Taylor 展开

    ∑n=0+∞1n!f(n)(0)xn=0+0+⋯+0+⋯=0\sum_{n = 0}^{+\infty}\frac{1}{n!}f^{(n)}(0)x^n = 0 + 0 + \cdots + 0 + \cdots = 0

二、泰勒级数

实光滑函数与复解析函数

二、泰勒级数

实光滑函数与复解析函数

  • 是否说明 e−1/x2e^{-1/x^2} 是零函数?

二、泰勒级数

实光滑函数与复解析函数

  • 当然不是:

    f(x)≠∑n=0+∞1n!f(n)(0)xn\purple{f(x) \ne \sum_{n = 0}^{+\infty}\frac{1}{n!}f^{(n)}(0)x^n}

二、泰勒级数

实光滑函数与复解析函数

  • 该 实 Taylor 级数收敛,但 不是 收敛到原本的 f(x)f(x)!

    明明是 f(x)f(x) 先做的 Taylor 展开,为什么会收敛到 别的函数 上?

     ~

二、泰勒级数

实光滑函数与复解析函数

  • 但是,刚刚说复解析函数

    f(z)=∑n=0+∞1n!f(n)(a)(z−a)n\red{f(z) = \sum_{n = 0}^{+\infty} \frac{1}{n!}f^{(n)}(a)(z - a)^n}

  • 等号为什么不成立?
二、泰勒级数

实光滑函数与复解析函数

  • 在 复变函数 范畴:

    • exp⁡(−1/z2)\exp(-1/z^2) 在原点处根本 不连续、不可导
    • exp⁡(−1/z2)\exp(-1/z^2) 根本不可以 在 zz 处做 Taylor 展开

    不连续

    直接计算

    lim⁡x=0y→0exp⁡[−1x2−y2+2ixy]=lim⁡y→0e+1/y2=∞\lim_{\substack{x = 0 \\ y \to 0}} \exp \left[- \frac{1}{x^2 - y^2 + 2i xy}\right] = \lim_{y \to 0}e^{+ 1/y^2} = \infty

二、泰勒级数

实光滑函数与复解析函数

  • 在物理系统中
    • x∼x \sim 某种参数
    • f(x)∼f(x) \sim 某种物理现象
  • 人们希望通过 微扰 的方法研究物理现象:限制 x≪1x \ll 1,用 Taylor 展开近似 f(x)f(x)
  • 但如果真实物理现象 f(x)∼e−1/x2f(x) \sim e^{- 1/x^2},则 不可能 通过小 xx 级数展开来研究:非微扰物理效应
二、泰勒级数

三、洛朗级数

二、泰勒级数

双边幂级数

  • Taylor 展开的一个特征:采样点 zz 与展开中心 aa 同属 一个完整的 开圆盘 解析区
  • 现实:电灯泡无处不在:展开中心 aa 与采样点 zz 之间有奇点

二、泰勒级数

双边幂级数

  • 解决方案:双边幂级数和 Laurent 级数
  • 考虑

    S(z)=∑k=0+∞ck(z−a)k⏟S1(z)+∑k=1+∞c−k(z−a)−k⏟S2(z)S(z) = \underbrace{\sum_{k = 0}^{+\infty}c_k (z - a)^k}_{S_1(z)} + \underbrace{\sum_{k = 1}^{+\infty} c_{-k}(z - a)^{-k}}_{S_2(z)}

  • 设 S1(z)S_1(z) 的收敛区是 N(a,R1)N(a, R_1),和函数 s1(z)s_1(z)
  • S2(z)S_2(z) 中涉及 (z−a)(z - a) 的 负幂次项:没学过,不知咋办
二、泰勒级数

双边幂级数

  • 尝试化成 幂级数:对 S2(z)S_2(z),重定义 z~=(z−a)−1\tilde z = (z - a)^{-1}

    S2(z)=S~2(z~)=∑k=1+∞c−kz~kS_2(z) = \tilde S_2(\tilde z) = \sum_{k = 1}^{+\infty}c_{-k}\tilde z^k

二、泰勒级数

双边幂级数

  • S2S_2 作为 z~\tilde z 的 幂级数,求得收敛区 N(a,R~)N(a, \tilde R),和函数 s~2(z~)\tilde s_2(\tilde z)
  • ∣z~∣<R~|\tilde z| < \tilde R 能使得 S2S_2 收敛,因此对 zz 变量而言,收敛区为

    ∣z~∣=∣1z−a∣<R~⇒∣z−a∣>1R~≔R2|\tilde z| = \bigg|\frac{1}{z - a} \bigg| < \tilde R \quad \Rightarrow \qquad \orange{|z - a| > \frac{1}{\tilde R} \coloneqq R_2}

    收敛区域内,和函数为 s2(z)=s~2(z~=1/z)s_2(z) = \tilde s_2(\tilde z = 1/z)。

    圈里圈外

    对于 S2S_2,作为 zz 的幂级数,收敛区在圈外,∣z−a∣>R2|z - a| > R_2。

二、泰勒级数

双边幂级数

二、泰勒级数

双边幂级数

  • S(z)S(z) 是 S1S_1 与 S2S_2 的和:只有当 S1S_1 和 S2S_2 都收敛,SS 才会收敛
  • S1S_1 和 S2S_2 的 同时收敛:绿色部分需要重叠 ⇒\Rightarrow 比较 R1R_1,R2R_2 的相对大小
二、泰勒级数

双边幂级数

  • R2>R1R_2 > R_1:没有重叠,SS 不收敛

二、泰勒级数

双边幂级数

  • R1>R2R_1 > R_2:有重叠,S(z)S(z) 在重叠区 R2<∣z−a∣<R1R_2 < |z - a|< R_1 中收敛

二、泰勒级数

双边幂级数

  • 刚好 R1=R2R_1 = R_2:可能 在圆 ∣z−a∣=R1=R2|z - a| = R_1 = R_2 上有收敛点,不保证有
  • 总结:R1>R2R_1 > R_2 时,S(z)S(z) 在环状区域 R2<∣z−a∣<R1R_2 < |z - a| < R_1 内 绝对收敛,且 内闭一致收敛 到和函数 s1(z)+s2(z)s_1(z) + s_2(z),该区域称为 S(z)S(z) 的 收敛环。和函数在收敛环内 解析,可以逐项积分和求导。
二、泰勒级数

双边幂级数

  • 例:考察级数 S(z)=∑k=−∞+∞zkS(z) = \sum_{k = -\infty}^{+\infty} z^k 的收敛性质

求解

  • 展开中心为原点。
  • 稍作分解,S1(z)=∑k=0+∞zkS_1(z) = \sum_{k = 0}^{+\infty}z^k,S2(z)=∑k=1+∞z−kS_2(z) = \sum_{k = 1}^{+\infty} z^{-k}。通过 z~=1/z\tilde z = 1/z 处理 S2(z)S_2(z)。

  • 显然 R1=R2=1R_1 = R_2 = 1,因此 没有收敛环。

  • 此外,此级数单位圆周上 处处不收敛

二、泰勒级数

双边幂级数

  • 例:考察级数 S(z)=∑k=1∞(λz)k+∑k=0∞zkS(z) = \sum_{k = 1}^\infty \left(\frac{\lambda}{z}\right)^k + \sum_{k = 0}^{\infty} z^k 的收敛性质

    求解

    令 z~=1/z\tilde z = 1/z,则可以快速求得 R~=1∣λ∣\tilde R = \frac{1}{|\lambda|},因此 R2=∣λ∣R_2 = |\lambda|。另外,R1=1R_1 = 1。因此,当 ∣λ∣<1|\lambda| < 1 的时候,有收敛环

    ∣λ∣<∣z∣<1|\lambda| < |z| < 1

    其它情况处处不收敛。

二、泰勒级数

双边幂级数

  • 例:考察下面双边幂级数的收敛性。

    ∑n=1+∞1n2zn+∑n=1+∞1n2zn \sum_{n = 1}^{+\infty} \frac{1}{n^2} z^n + \sum_{n = 1}^{+\infty} \frac{1}{n^2 z^n}

    求解

    • 记

      S1=∑n=1+∞1n2zn,S2=∑n=1+∞1n2z−n=∑n=1+∞1n2z~nS_1 = \sum_{n = 1}^{+\infty}\frac{1}{n^2}z^n, \qquad S_2 = \sum_{n = 1}^{+\infty} \frac{1}{n^2} z^{-n} = \sum_{n = 1}^{+\infty}\frac{1}{n^2}\tilde z^n

二、泰勒级数

求解

  • 利用 Cauchy 或者 'd Alembert 方法可以求得 R1=R~=R2=1R_1 = \tilde R = R_2 = 1,没有收敛环。
  • 在圆周上,可以发现 绝对收敛 性,

    ∑n=1+∞1n2∣zn∣=∑n=1+∞1n2∣z−n∣=∑n=1+∞1n2=π26\sum_{n = 1}^{+\infty} \frac{1}{n^2}|z^n| = \sum_{n = 1}^{+\infty} \frac{1}{n^2}|z^{-n}| = \sum_{n = 1}^{+\infty} \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}

二、泰勒级数

Laurent 级数

  • 定理:在环状区域 H={z ∣ R2<∣z−a∣<R1}H = \{z \ | \ R_2 < |z - a| < R_1\} 的解析函数 f(z)f(z) 都可以以 aa 为 中心 展开为双边幂级数,称为 Laurent 展开,

    f(z)=∑n=−∞+∞cn(z−a)n ,∀z∈H f(z) = \sum_{n = -\infty}^{+\infty} \purple{c_n} (z - a)^n \ , \qquad \forall z \in \green{H}

    其中

    cn=∮Cdζ2πif(ζ)(ζ−a)n+1,C⊂H \purple{c_n = \oint_C \frac{d \zeta}{2\pi i} \frac{f(\zeta)}{(\zeta - a)^{n + 1}}}, \qquad C \subset \green{H}

二、泰勒级数

Laurent 级数

二、泰勒级数

Laurent 展开的要素

  • Laurent 展开的要素:aa,HH,zz,CC,∑−∞+∞\sum_{-\infty}^{+\infty}

  • 展开中心 aa 不属于 环状解析区 HH:函数在 aa 处 可能 不可导

    展开中心

    相对地,Taylor 展开的展开中心 aa 一定 是 ff 的 解析 点。

  • 采样点 zz 一定 ∈H\in H,且围道 C⊂HC \subset H。

    Taylor 展开

    这点与 Taylor 展开的情况是一样的。

二、泰勒级数

Laurent 展开的要素

  • 正幂项系数 cn≥0c_{n \ge 0} 通常 不等于 Taylor 展开系数 1n!f(n)(a)\frac{1}{n!}f^{(n)}(a)

    Taylor 展开系数

    • 要想相等,

      ∮Cdζ2πif(ζ)(ζ−a)n+1=f(n)(a)n!\oint_{C}\frac{d\zeta}{2\pi i} \frac{f(\zeta)}{(\zeta - a)^{n + 1}} = \frac{f^{(n)}(a)}{n! }

      ff 应该要在 CC 内部解析。

    • 但这 并不一定 能实现,因为 N(a,R2)N(a, R_2) 内可能有 不解析点。极端情况中,aa 甚至可能是 奇点,此时 f(n)(a)f^{(n)}(a) 根本不存在。

二、泰勒级数

Laurent 级数的要点

  • 倘若有 某个 c−n≠0c_{-n} \ne 0,n∈N>0n \in \mathbb{N}_{>0},则必然在 闭域 N(a,R2)‾\overline{N(a, R_2)} 上 有奇点;反之亦然。

    aa 不一定是奇点

    即使 N(a,R2)‾\overline{N(a, R_2)} 上有奇点,中心 aa 本身也并 不一定 是奇点:可能是,也可能不是。

二、泰勒级数

Laurent 级数的要点

负幂项 的存在与否,决定了 闭域 N(a,R2)‾\overline{N(a, R_2)} 上是否有奇点

但具体在哪里,有多少个奇点,无法从 Laurent 展开式中看出

二、泰勒级数

Laurent 级数:例

  • 例子:考虑 f(z)=1z−af(z) = \frac{1}{z - a}。该函数在环状区域 0<∣z−a∣<∞0 < |z - a| < \infty 内解析,环内有 Laurent 展开

    1z−a= ∑k=−∞+∞ck(z−a)k= ⋯+0+0+1⏟c−1×(z−a)−1+0+⋯\begin{align*} \frac{1}{z - a} = & \ \sum_{k = -\infty}^{+\infty}c_k (z - a)^k\\ = & \ \cdots + 0 + 0 + \underbrace{1}_{c_{-1}} \times (z - a)^{-1} + 0 + \cdots \end{align*}

    展开中心 aa 的确是函数 f(z)f(z) 的 奇点
二、泰勒级数

Laurent 级数:例

  • 例子:继续考虑 f(z)=1z−af(z) = \frac{1}{z - a}。考虑 新的中心 b≠ab \ne a。函数显然在环状区域 0<∣a−b∣<∣z−b∣<+∞0 < |a - b| < |z - b| < +\infty 内解析。
  • 如何在该区域内展开 f(z)f(z)?

二、泰勒级数

Laurent 级数:例

  • 技巧:该区可以重新写为

    0<∣u∣<1,u≔a−bz−b0 < |u| < 1, \qquad u \coloneqq \frac{a - b}{z - b}

二、泰勒级数

Laurent 级数:例

  • 重写为 uu 的函数,在 0<∣u∣<1⊂N(0,1)u0 < |u| < 1 \subset N(0, 1)_u 内展开,

    1z−a= 1(z−b)−(a−b)=1z−b⋅11−a−bz−b=1z−b⋅11−u= 1z−b⋅(1+u+u2+⋯ )= ⋯+(a−b)3(z−b)4+(a−b)2(z−b)3+a−b(z−b)2+1z−b\begin{align*} \frac{1}{z - a} = & \ \frac{1}{(z - b) - (a - b)} = \frac{1}{z - b} \cdot \frac{1}{1 - \green{\frac{a - b}{z - b}}} = \frac{1}{z - b} \cdot \frac{1}{1 - \green{u}} \\ = & \ \frac{1}{z - b} \cdot (1 + u + u^2 + \cdots)\\ = & \ \cdots + \frac{(a - b)^3}{(z - b)^4} + \frac{(a - b)^2}{(z - b)^3} + \frac{a - b}{(z - b)^2} + \frac{1}{z - b} \end{align*}

  • 无穷多 奇异项 (z−b)−1,(z−b)−2,⋯(z - b)^{-1}, (z-b)^{-2}, \cdots,c−n≠0c_{-n} \ne 0

    展开中心 bb 是否 ff 的奇点?

二、泰勒级数

Laurent 级数:例

  • bb 不是 奇点

    展开的成立区域

    上述几何级数展开只在 ∣u∣<1|u| < 1 时成立,即

    ∣a−b∣∣z−b∣<1⇔∣a−b∣⏟R2<∣z−b∣<+∞\frac{|a - b|}{|z - b|} < 1 \qquad \Leftrightarrow \qquad \underbrace{|a - b|}_{R_2} < |z - b| < +\infty

    可见,zz 与 bb 的距离 不能太小,因此 z−bz - b 的负幂次项 并没有 真正产生奇性。

  • 真正的奇点依然是 aa:它刚好在闭域 N(b,R2=∣a−b∣)‾\overline{N(b, R_2 = |a - b|)} 的边界上
二、泰勒级数

Laurent 级数的要点

  • 如果 N(a,R2)‾\overline{N(a, R_2)} 确实没有奇点,则下面两个事情同时发生
    • 负幂 项系数 c−1,c−2,c−3,⋯=0c_{-1}, c_{-2}, c_{-3}, \cdots = 0
    • 非负幂 项系数 c0,c1,c2,⋯c_0, c_1, c_2, \cdots 等自动等于高阶导数

      cn=1n!f(n)(a)c_{n} = \frac{1}{n!}f^{(n)}(a)

      即退化为 Taylor 展开
二、泰勒级数

Laurent 级数的要点

  • 给定函数、展开中心、环状解析区:Laurent 展开式 唯一确定
  • 给定函数、展开中心,不同 环状解析区的 Laurent 展开式 可能不同
二、泰勒级数

Laurent 级数:计算例子

  • 例:考虑函数 f(z)=1z(z−1)f(z) = \frac{1}{z(z - 1)}。选择展开中心为 z=0z = 0

    解

    H1H_1 (去心邻域):0<∣z∣<10 < |z| < 1\qquadH2H_2:1<∣z∣<+∞1 < |z| < +\infty

二、泰勒级数

Laurent 级数:计算例子

解

  • 0<∣z∣<10 < |z| < 1,对 1z−1\frac{1}{z-1} 在 z=0z=0 附近展开:

    1z−1=−11−z=−∑n=0∞zn=−1−z−z2−⋯\frac{1}{z-1} = -\frac{1}{1-z} = -\sum_{n=0}^{\infty} z^n = -1 - z - z^2 - \cdots

    因此:

    f(z)=1z1z−1=−1z−1−z−z2−⋯f(z) = \frac{1}{z}\frac{1}{z - 1} = - \frac{1}{z} -1 - z - z^2 - \cdots

二、泰勒级数

Laurent 级数:计算例子

解

  • 1<∣z∣<∞1 < |z| < \infty,从而 ∣1/z∣<1|1/z|<1

    1z−1=1z⋅11−1z=1z∑n=0∞(1z)n=1z+1z2+1z3+⋯\frac{1}{z-1} = \frac{1}{z} \cdot \purple{\frac{1}{1-\frac{1}{z}}} = \frac{1}{z} \purple{\sum_{n=0}^{\infty} \left(\frac{1}{z}\right)^n} = \frac{1}{z} + \frac{1}{z^2} + \frac{1}{z^3} + \cdots

    因此:

    f(z)=1z1z−1=1z2+1z3+⋯f(z) = \frac{1}{z}\frac{1}{z - 1} = \frac{1}{z^2} + \frac{1}{z^3} + \cdots

四、零点与奇点

四、零点与奇点

四、零点与奇点

解析函数的零点

  • 定义:设非恒零函数 f(z)f(z) 在 aa 的一个邻域内 解析,若存在正整数 mm 使得

    f(a)=f(1)(a)=⋯=f(m−1)(a)=0,f(m)(a)≠0 ,f(a) = f^{(1)}(a) = \cdots = f^{(m - 1)}(a) = 0, \qquad \red{f^{(m)}(a) \ne 0} \ ,

    则称 aa 为 f(z)f(z) 的一个 mm-阶零点 (zero)。11-阶零点又称 单 (simple) 零点

    mm 的存在性

    由解析性,f(z)f(z) 可以在 aa 的邻域内做 泰勒展开。除非 f(z)f(z) 恒零,否则肯定得有某个正整数 mm 使得 f(m)(a)≠0f^{(m)}(a) \ne 0。

四、零点与奇点

解析函数的零点:例

  • 例:考虑 f(z)=sin⁡zf(z) = \sin z。显然,f(kπ)=sin⁡kπ=0f(k \pi) = \sin k\pi = 0。另外,f(1)(kπ)=cos⁡kπ≠0f^{(1)}(k\pi) = \cos k\pi \ne 0,因此 kπk\pi 均为 sin⁡z\sin z 的 单零点。
四、零点与奇点

解析函数的零点:例

  • 例:考虑 f(z)=(z−a)mf(z) = (z - a)^m,m∈{1,2,⋯ }m \in \{1, 2, \cdots\}。
    显然,f(a)=0f(a) = 0。此外,f(k)(a)=m(m−1)⋯(m−k+1)(z−a)m−kf^{(k)}(a) = m(m - 1)\cdots (m - k + 1)(z - a)^{m - k},因此

    f(1)(a)=⋯=f(m−1)(a)=0 .f^{(1)}(a) = \cdots = f^{(m - 1)}(a) = 0 \ .

    但是,f(m)(a)=m!≠0f^{(m)}(a) = m! \ne 0。因此,aa 是 mm-阶零点。
  • 多项式 (z−a)m(z - a)^m 给出了 mm-阶零点的一个近似描述,更加完整的描述由下面定理给出
四、零点与奇点

零点孤立性

  • 定理:设 ff 在 N(a,R)N(a, R) 中解析,且不恒为零。则

    aa 是 mm-阶零点 ⇔\Leftrightarrow f(z)=(z−a)mφ(z)f(z) = (z - a)^m \varphi(z)

    其中 φ(z)\varphi(z) 在 N(a,R)N(a, R) 内 解析 且 φ(a)≠0\varphi(a) \ne 0

    说明

    证明要点在于泰勒展开。由 mm-阶零点定义可知

    f(z)= ∑k=0+∞1k!f(k)(a)(z−a)k= 1m!f(m)(a)(z−a)m+1(m+1)!f(m+1)(a)(z−a)m+1+⋯\begin{align*} f(z) = & \ \sum_{k = 0}^{+\infty}\frac{1}{k!}f^{(k)}(a)(z - a)^k \\ = & \ \frac{1}{m!}f^{(m)}(a)(z - a)^m + \frac{1}{(m + 1)!}f^{(m+1)}(a)(z - a)^{m + 1} + \cdots \nonumber \end{align*}

四、零点与奇点

零点孤立性

说明

提取公因子 (z−a)m(z - a)^m,可以得到

f(z)= (z−a)m[1m!f(m)(a)+1(m+1)!f(m+1)(a)(z−a)+⋯]= (z−a)mφ(z)\begin{align*} f(z) = & \ (z - a)^m\left[ \orange{\frac{1}{m!}f^{(m)}(a) + \frac{1}{(m + 1)!}f^{(m + 1)}(a)(z - a) + \cdots} \right] \nonumber\\ = & \ (z - a)^m \orange{\varphi(z)} \nonumber \end{align*}

橙色幂级数在 N(a,R)N(a, R) 绝对内闭一致收敛到 φ(z)\varphi(z) 且 φ(a)≠0\varphi(a) \ne 0,

φ(a)=1m!f(m)(a)\displaystyle\varphi(a) = \frac{1}{m!}f^{(m)}(a)

四、零点与奇点

零点孤立性

  • 零点孤立性定理:若 ff 在 N(a,R)N(a, R) 内 解析 且非恒为零,aa 是 ff 的一个零点,则必然存在 ϵ>0\epsilon > 0,使得 N(a,ϵ)N(a, \epsilon) 内 只有 aa 一个零点

四、零点与奇点

零点孤立性

  • 零点孤立性定理:若 ff 在 N(a,R)N(a, R) 内 解析 且非恒为零,aa 是 ff 的一个零点,则必然存在 ϵ>0\epsilon > 0,使得 N(a,ϵ)N(a, \epsilon) 内 只有 aa 一个零点

    证明

    • 核心原因是解析函数在零点附近的行为完全由上一个定理刻画了:f(z)=(z−a)mφ(z)f(z) = (z - a)^m \varphi(z),φ(a)≠0\varphi(a) \ne 0。其中,只要 z≠az \ne a,因子 (z−a)m≠0(z - a)^m \ne 0。
    • 此外,由于 φ(a)≠0\varphi(a) \ne 0,根据 连续性 φ(z)\varphi(z) 在 aa 近旁处 也不可能为零,因此 f(z)f(z) 在 aa 近旁也不会为零。
四、零点与奇点

零点孤立性

  • 零点孤立性定理:若 ff 在 N(a,R)N(a, R) 内 解析 且非恒为零,使得 aa 是一个零点,则必然存在 ϵ>0\epsilon > 0,使得 N(a,ϵ)N(a, \epsilon) 内 只有 aa 一个零点

    圆盘内孤立性

    圆盘状解析区内的零点 只有 两种分布形态:铺满整个圆盘 (恒零函数,非孤立零点 的 唯一 形态),或者 孤立。

  • 下面有几个推论反复从不同侧面体现零点的孤立性
四、零点与奇点

零点孤立性

  • 定理:考虑 ff 在区域 DD 内解析,考虑 a∈Da \in D 及其小邻域 N(a,R)⊂DN(a, R) \subset D。若 ff 在 N(a,R)N(a, R) 内 处处为零,则 ff 在 整个 DD 内 全是零。

四、零点与奇点

零点孤立性

  • 定理:考虑 ff 在区域 DD 内解析,考虑 a∈Da \in D 及其小邻域 N(a,R)⊂DN(a, R) \subset D。若 ff 在 N(a,R)N(a, R) 内 处处为零,则 ff 在 整个 DD 内 全是零。

四、零点与奇点

零点孤立性

  • 定理:设 ff 在区域 DD 内解析,在 DD 内有 非平凡 收敛点列 {zn}n=1+∞\{z_n\}_{n = 1}^{+\infty},且点列收敛到 lim⁡n→+∞zn=a∈D\lim_{n \to +\infty}z_n = a \orange{\in D},则

    f(all zn)=0⇒在整个 D 内 f 恒为零f(\text{all} \ z_n) = 0 \qquad \Rightarrow \qquad \text{在整个 $D$ 内 $f$ 恒为零}

    证明

    关键点是利用零点的 孤立性。

    由于 a∈Da \in D 是解析点,函数在该处具有相当好的 连续性,导致 f(a)=lim⁡n→+∞f(zn)=0f(a) = \lim_{n \to +\infty} f(z_n) = 0,间接把 aa 打造成 非孤立零点,这反过来迫使 ff 在 aa 的邻域恒为零,最终也迫使 ff 在整个 DD 内恒为零。

四、零点与奇点

零点孤立性:例

  • 考虑函数 f(z)≔∏n=0+∞(1−1zqn)f(z) \coloneqq \prod_{n = 0}^{+\infty}(1 - \frac{1}{z}q^n),其中 ∣q∣<1|q| < 1。读出 零点

    1−1zqn=0 ⇒ zn=qn,n=0,1,2,3,⋯1 - \frac{1}{z}q^n = 0 \ \Rightarrow \ z_n = q^n, \qquad n = 0, 1, 2, 3, \cdots

    零点 序列 znz_n 有 极限点 lim⁡n→+∞zn=0\lim_{n \to +\infty} z_n = 0,即原点。问题:原点是否 ff 的零点?

    零点序列的极限

    • 原点 不可能 是 f(z)f(z) 的零点,否则 就形成一个 非孤立零点 并暗示 ff 应该是恒零函数:这显然不符合该函数的定义。
    • 事实上,原点是该函数的 奇点,因为 1z\frac{1}{z} 因子。
四、零点与奇点

零点孤立性

零点与奇点

零点不喜欢拥挤。过分拥挤的零点序列只有两种命运:产生/来自 恒零函数,或者把极限点/聚点 挤出 解析区,变成一个 奇点。

四、零点与奇点

零点孤立性

  • 定理:若 f1,f2f_1, f_2 是两个在 DD 内解析的函数,且 f1,f2f_1, f_2 在 DD 内 的收敛点列上 等值,则在 DD 内 f1=f2f_1 = f_2
  • 推论:若两个解析函数在包含实轴的区域内解析,并在实轴上 等值,则在整个解析区内 等值
四、零点与奇点

实解析与复解析

  • 复解析函数的零点孤立性:源自 Taylor 级数对解析函数的 完美逼近
  • 实解析 (无穷阶可导) 函数的行为极端复杂,并不 总能用 Taylor 级数进行完美逼近
  • 例子:分段函数

    f(x)={0x<0e−1x2x≥0f(x) = \left \{\begin{array}{cc} 0 & x < 0\\ e^{- \frac{1}{x^2}} & x \ge 0 \end{array} \right.

    该函数在全 R\mathbb{R} 无穷阶可导,但是存在无穷多 非孤立零点 x<0x < 0。
四、零点与奇点

孤立奇点

  • 定义:若 aa 是 ff 的奇点,但是 ff 在 N(a,R)−{a}N(a, R) - \{a\} 中解析,则称 aa 为 ff 的一个 孤立奇点

    人为要求

    • 解析函数 非平凡零点 的孤立性是与生俱来的,是无法避免的客观规律。
    • 奇点的孤立性是 人为要求:存在 非孤立、非平凡奇点。
四、零点与奇点

孤立奇点:例子

  • 考虑函数 f(z)=1/sin⁡(π/z)f(z) = 1/\sin(\pi/z)。分母为零的点是

    πz=nπ⇒zn=1n ,n∈Z\frac{\pi}{z} = n \pi \Rightarrow z_n = \frac{1}{n} \ , \qquad n \in \mathbb{Z}

    这些 znz_n 都是 ff 的 孤立 奇点。

    n=0n = 0

    n=0n = 0 对应 z0=1/0=∞z_0 = 1/0 = \infty:无穷远点 也是一个孤立奇点。

  • {zn}\{z_n\} 形成奇点序列,极限存在 lim⁡n→∞zn=0\lim_{n \to \infty} z_n = 0:原点是一个 非孤立 奇点。

四、零点与奇点

孤立奇点的分类

  • 为了深入了解孤立奇点的性质:考虑 近旁 Laurent 展开

  • 定义:在 N(a,R)−{a}N(a, R) - \{a\} 中,

    f(z)=∑n=1+∞c−n(z−a)−n⏟主要部分+∑n=0+∞cn(z−a)n⏟正则部分f(z) = \underbrace{\sum_{n = 1}^{+\infty} c_{-n} (z - a)^{-n}}_{\green{\text{主要部分}}} + \underbrace{\sum_{n = 0}^{+\infty} c_n (z - a)^n}_{\green{\text{正则部分}}}

    环状邻域

    注意环状解析区要 紧挨 着孤立奇点 aa,即一个 去心邻域 N(a,R)−{a}N(a, R) - \{a\}。

四、零点与奇点

孤立奇点的分类

  • 例:考虑函数 f(z)=1z(z−1)f(z) = \frac{1}{z(z - 1)}。两个孤立奇点:1,01, 0,导致 4 个环状解析区:下面两个 可以 用于判断 0,10, 1 的奇性

四、零点与奇点

孤立奇点的分类

  • 例:考虑函数 f(z)=1z(z−1)f(z) = \frac{1}{z(z - 1)}。两个孤立奇点:1,01, 0,导致 4 个环状解析区:下面两个 不能 用于判断 0,10, 1 的奇性

四、零点与奇点

孤立奇点的分类

  • 孤立奇点可以分成三类
  • 定义:函数 ff 的孤立奇点 aa 近旁的 Laurent 展开 ⇒\Rightarrow 主要部分、正则部分
    • 若主要部分为零,则 aa 称为 ff 的 可去 (removable) 奇点
    • 若主要部分有 有限 项非零,其中最负幂次项是 c−m(z−a)−mc_{-m}(z - a)^{-m},则称 aa 为 ff 的 mm-阶极点 (pole)
    • 若主要部分有 无穷 项非零,则称 aa 为 ff 的 本性 (essential) 奇点
四、零点与奇点

可去奇点的判定

  • 定理:设 aa 为 ff 的孤立奇点。则下面几个说法是 等价 的

    • aa 是可去奇点
    • lim⁡z→af(z)\lim_{z \to a}f(z) 存在 且 有限
    • f(z)f(z) 在 aa 的 某个 去心邻域内 有界

    说明

    • 可去奇点说明 ff 的 Laurent 展开 没有 负幂次项,因此可以对级数直接取 lim⁡z→a\lim_{z \to a} 极限,这个极限等于级数 零次幂项,存在 且 有限。

    • 极限存在且有限也说明 f(z)f(z) 在 aa 附近有 有界,以此结合 Laurent 级数系数的积分定义,可以证明负幂次项系数为零。

四、零点与奇点

可去奇点的判定:例子

  • 例:考虑 f(z)=1zsin⁡zf(z) = \frac{1}{z}\sin z。显然 z=0z = 0 是一个孤立奇点。考虑原点去心邻域,作 Laurent 展开

    f(z)=1z(z−13!z3+15!z5+⋯ )=1−13!z2+15!z4+⋯f(z) = \frac{1}{z} \left(z - \frac{1}{3!} z^3 + \frac{1}{5!} z^5 + \cdots\right) = 1 - \frac{1}{3!}z^2 + \frac{1}{5!}z^4 + \cdots

    显然主要部分为 零:可去奇点

    也可以考虑

    lim⁡z→01zsin⁡z=1⇒可去奇点\lim_{z \to 0} \frac{1}{z} \sin z = 1 \Rightarrow \text{可去奇点}

    或者论证 1zsin⁡z\frac{1}{z}\sin z 在 N(0,1)N(0,1) 内 有界。

四、零点与奇点

可去奇点的判定:例子

  • 例:考虑 f(z)=z−a(z−a)(z−b)f(z) = \frac{z - a}{(z - a)(z - b)},a≠ba \ne b。显然有两个孤立奇点 a,ba, b。其中

    lim⁡z→a=1a−b∈C\lim_{z \to a} = \frac{1}{a - b} \in \mathbb{C}

    因此 aa 是 可去 奇点。

  • 但是,bb 不是 可去奇点,

    lim⁡z→bz−a(z−a)(z−b)=∞\lim_{z \to b} \frac{z - a}{(z - a)(z - b)} = \infty

四、零点与奇点

可去奇点的判定:例子

  • 例:考虑

    f(z)={1/z,z≠12025z=1f(z) = \left\{\begin{array}{cc} 1/z, & z \ne 1\\ 2025 & z = 1 \end{array}\right.

    显然,11 是函数的孤立奇点。计算极限 lim⁡z→11z=1\lim_{z \to 1}\frac{1}{z} = 1,因此是一个 可去奇点。
四、零点与奇点

可去奇点的判定

  • 例:考虑

    f(z)={1/z,z≠12025z=1f(z) = \left\{\begin{array}{cc} 1/z, & z \ne 1\\ 2025 & z = 1 \end{array}\right.

    问题:如果在 1<∣z−1∣<+∞1 < |z - 1| < +\infty 环状解析域作 Laurent 展开,会得到什么结论?

四、零点与奇点

可去奇点的判定

  • 远方 (1<∣z−1∣<+∞1 < |z-1| < +\infty) Laurent 展开 (注意 ∣11−z∣<1|\frac{1}{1 - z}| < 1)

    1z=1(z−1)+1=1z−111 − 11−z=1z−1∑k=0+∞(11−z)k\frac{1}{z} = \frac{1}{(\purple{z - 1}) + 1} = \frac{1}{\purple{z - 1}} \frac{1}{1 \ \red{-} \ \frac{1}{1 - z}} = \frac{1}{z - 1} \sum_{k = 0}^{+\infty} \left(\frac{1}{1 - z}\right)^k

    「主要部分」有 无穷项非零!但这个展开 不反映 11 的奇性。
四、零点与奇点

可去奇点的判定

去心邻域

判断奇性时,只有 近旁/去心邻域内 Laurent 展开才有资格说话。

四、零点与奇点

极点的判定

  • 定理:若 aa 是 ff 的孤立奇点。则 aa 是某阶极点的 充要条件 是 lim⁡z→af(z)=∞\lim_{z \to a}f(z) = \infty

    极限存在

    lim⁡=∞\lim = \infty 要求 不同的逼近方向 都要给出 ∞\infty。

    极点的阶数

    本定理 不能 给出极点的阶数。

四、零点与奇点

极点的判定

  • 定理:设 aa 是 ff 的孤立奇点,则下面几个陈述等价:
    • aa 是 mm-阶极点
    • ff 在 aa 的某个去心邻域可以写成 φ(z)(z−a)−m\varphi(z)(z - a)^{-m},其中 φ\varphi 在 aa 附近解析且 φ(a)≠0\varphi(a) \ne 0
    • aa 是 1/f(z)1/f(z) 的 mm-阶 零点
四、零点与奇点

极点的判定:例子

  • 例:考虑 f(z)=1(sin⁡z)nf(z) = \frac{1}{(\sin z)^n},n∈N>0n \in \mathbb{N}_{>0}。则原点是孤立奇点。

  • 显然 1/f(z)=(sin⁡z)n1/f(z) = (\sin z)^n。在原点处做 Taylor 展开

    (sin⁡z)n=zn+⋯(\sin z)^n = z^n + \cdots

    说明原点是 1/f(z)1/f(z) 的 nn-阶 零点,因此是 f(z)f(z) 的 mm-阶 极点。

四、零点与奇点

极点的判定:例子

  • 例:考虑 f(z)=1/(z−sinh⁡z)f(z) = 1/(z - \sinh z)。原点是孤立奇点。

  • 利用 1/f(z)=z−sinh⁡z1/f(z) = z - \sinh z

    z−sinh⁡z=−z36+⋯z - \sinh z = - \frac{z^3}{6} + \cdots

    可见原点是 1/f(z)1/f(z) 的 三阶零点,因此是 f(z)f(z) 的 三阶极点。

四、零点与奇点

本性奇点的判定

  • 定理:设 aa 是 ff 的孤立奇点,则 aa 是本性奇点的充要条件是 lim⁡z→af(z)\lim_{z \to a}f(z) 极限 不存在 (即与 逼近方向有关)。
  • 例:考虑之前介绍的函数 f(z)=e−1z2f(z) = e^{- \frac{1}{z^2}}。原点是它的 本性奇点:

    lim⁡y=0x→0f(z)=0,lim⁡x=0y→0f(z)=∞\lim_{\substack{y = 0 \\ x \to 0}} f(z) = 0, \qquad \lim_{\substack{x = 0 \\ y \to 0}} f(z) = \infty

    也可以计算它在原点近旁的 Laurent 展开:主要部分无穷多项,

    f(z)=∑n=0+∞1n!(−1z2)nf(z) = \sum_{n = 0}^{+\infty} \frac{1}{n!} \left(- \frac{1}{z^2}\right)^n

四、零点与奇点

本性奇点的性质

  • Casorati-Weierstrass 定理:若 aa 是 f(z)f(z) 的本性奇点,则对 ∀A∈C∪{∞}\forall A \in \mathbb{C} \cup \{\infty\},存在以本性奇点 aa 为聚点的点列 {zn}\{z_n\},

    lim⁡n→∞zn=a,lim⁡n→∞f(zn)=A\lim_{n \to \infty} z_n = a, \quad \lim_{n \to \infty} f(z_n) = A

    即本性奇点附近的 ff 函数值可以无限接近 任意有限 或者 无限复数。
四、零点与奇点

本性奇点的性质

  • 例:原点 z=0\purple{z = 0} 是 e1/ze^{1/z} 的本性奇点。对 ∀A∈C≠0\forall A \in \mathbb{C}_{\ne 0},则 zn=1log⁡A+2πinz_n = \frac{1}{\log A + 2\pi i n},有

    lim⁡n→∞zn=0,lim⁡n→∞e1/zn=lim⁡n→∞elog⁡A+2πin=A\lim_{n \to \infty} z_n = \purple{0}, \quad \lim_{n \to \infty} e^{1/z_n} = \lim_{n \to \infty} e^{\log A + 2\pi i n} = A

    另外考虑 zn=−1/nz_n = - 1/n,显然

    lim⁡n→∞zn=0,lim⁡n→∞e1/zn=lim⁡n→∞e−n=0\lim_{n \to \infty} z_n = \purple{0}, \quad \lim_{n \to \infty} e^{1/z_n} = \lim_{n \to \infty} e^{-n} = 0

    另外考虑 zn=1/nz_n = 1/n,显然

    lim⁡n→∞zn=0,lim⁡n→∞e1/zn=lim⁡n→∞en=∞\lim_{n \to \infty} z_n = \purple{0}, \quad \lim_{n \to \infty} e^{1/z_n} = \lim_{n \to \infty} e^n = \infty

四、零点与奇点

本性奇点的性质

  • Picard 定理:若 aa 是 f(z)f(z) 的本性奇点,则在 aa 的邻域内,f(z)f(z) 的值可以取遍 除了某个 复数 AA 之外的 所有有限复数值,且可以重复取 无穷次。

    Casorati-Weierstrass 定理

    Picard 定理是 Casorati-Weierstrass 定理的加强版。后者只是说明在本性奇点附近可以「逼近」任意复数,而 Picard 定理说明可以确切「取到」几乎 所有复数。

四、零点与奇点

本性奇点的性质

  • 例:原点是 f(z)=e1/zf(z) = e^{1/z} 的本性奇点。00 是无法取到的值。此外任意有限复数都可以取到:

    f(1log⁡A+2πin)=A,∀n∈Nf(\frac{1}{\log A + 2\pi i n}) = A, \qquad \forall n \in \mathbb{N}

四、零点与奇点

级数与物理

  • 第一类应用:把解析函数在合适的区域展开成 级数。可以取有限项做近似,简化物理问题
  • 第二类应用:物理量的原始定义就是级数
四、零点与奇点

级数与物理

  • 例:考虑一个系统有许多粒子,不同粒子携带不同电荷。你想知道电荷的分布状况。

    电荷 nn 粒子数 N(n)N(n)
    00 33
    11 55
    22 99
    33 1717
    ⋮\vdots ⋮\vdots
四、零点与奇点

级数与物理

  • 更加先进的办法:定义多项式/级数

    Z(q)≔∑n=0nmaxN(n)qn,⇒N=N(q→1)=∑n=0nmaxN(n)Z(q) \coloneqq \sum_{n = 0}^{n_\text{max}} N(n)q^n, \quad \Rightarrow \quad N = N(q \to 1) = \sum_{n = 0}^{n_\text{max}} N(n)

    其中 qq 是一个本身没啥含义的 辅助变量,称为电荷 nn 对应的 计数参数 (counting parameter),或者 逸度 (fugacity)。级数 Z(q)Z(q) 常称为 配分函数 (partition function)
  • 热力学极限:粒子数趋于无穷,可能携带很大的电荷,nmax→∞n_\text{max} \to \infty
四、零点与奇点

级数与物理

  • 热力学系统:包含一些微观粒子,整个系统可以处于许多不同的 微观状态。每个状态 ss 有一个 能量 E(s)E(s)
  • 想了解系统能量的分布情况
  • 定义 热力学配分函数:对所有态 ss 进行求和,

    Z(β)≔∑se−βE(s)=∑EN(E)e−βEZ(\beta) \coloneqq \sum_{s} e^{- \beta E(s)} = \sum_{E} \orange{N(E)} e^{- \beta E}

    其中 e−βEe^{-\beta E} 称为 玻尔兹曼因子 (相对概率),β\beta 是温度的倒数,

    β≔1kBT\beta \coloneqq \frac{1}{k_B T}

四、零点与奇点

级数与物理

  • 定义 逸度 (fugacity) q≔e−βq \coloneqq e^{-\beta},当能量 取离散整数值 时,配分函数可以写成级数形式

    Z(q)=∑EN(E)qEZ(q) = \sum_{E} N(E) q^E

  • 从 ln⁡Z(q)\ln Z(q) 可以算出许多有趣的物理量 (内能 μ\mu,自由能 FF 等)

    μ=−∂∂βln⁡Z=1Z∑EnEN(E)e−βE,F=−1βln⁡Z\mu = - \frac{\partial}{\partial \beta} \ln Z = \frac{1}{Z} \sum_{E}^{n} E N(E) e^{-\beta E} , \qquad F = - \frac{1}{\beta} \ln Z

四、零点与奇点

级数与物理

  • 更一般的热力学系统:正系数 多变量多项式/级数

    Z(q,x1,x2)=∑E,n1,n2N(E,n1,n2)qEx1n1x2n2Z(q, x_1, x_2) = \sum_{E, n_1, n_2} N(E, n_1, n_2) q^E x_1^{n_1} x_2^{n_2}

  • ln⁡Z\ln Z 的可导性很重要:Z=0Z = 0 不是 解析点
  • 不可导的点称为 相变点:在这些点附近物理量可能会发生 突变
四、零点与奇点

级数与物理

  • 多项式的零点长什么样子?
  • Lee-Yang 圆定理:对于一大类统计模型的配分函数,其零点分布在 单位圆 上。热力学极限下,若零点弧的聚点落在正实轴上,则系统存在 相变。