04第三章 复变函数级数

合集下载

复变函数项级数

复变函数项级数

对未来研究的展望
深入研究复变函数项级数的性质和变化规律,进一步 拓展其在各个领域的应用范围。例如,在数学领域, 可以研究复变函数项级数的收敛性、可积性等性质, 以及其在复分析、微分方程等领域的应用。在工程领 域,可以研究复变函数项级数在信号处理、图像处理、 控制系统等领域的应用,并尝试将其应用于其他领域。
定义
对于形如∑an(z)的幂级数,其收敛半径R定义为满足∑an(z)收敛的z的集合中, 距离原点的最大距离。
计算方法
收敛半径R可以通过将幂级数的系数an代入到公式R=1/lim sup√[n] |a_n|中计算得 到。
复变函数项级数的收敛性判断
在复变函数、数学 分析和实变函数等 领域中,复变函数 项级数的收敛性判 断是一个重要的研 究课题。
在复数范围内的应用
解析 函数
函数 逼近
特殊 函数
复变函数项级数可以用于研究解析函数,例如通过 级数展开来研究函数的性质和行为。
在复数范围内,我们可以通过复变函数项级数来逼 近一个函数,从而得到该函数的近似表达式。
复变函数项级数可以用于定义和计算一些特殊函数, 例如贝塞尔函数、傅里叶级数等。
在物理和工程中的应用
06 单击此处添加标题 结论
复变函数项级数的意义与价值
意义
复变函数项级数在数学、物理、工程等领域有着广泛的应用,它为解决复杂问题提供了有效的工具和方法。通过研究复变函数项级数,可 以深入了解函数的性质和变化规律,进一步推动相关领域的发展。
价值
复变函数项级数在解决实际问题中具有很高的价值。例如,在信号处理、图像处理、控制系统等领域,可以利用复变函数项级数对信号进 行分解、分析和处理,从而实现信号的滤波、降噪、调制和解调等功能。此外,在物理学中,复变函数项级数也被广泛应用于量子力学、 电磁学等领域,为解决物理问题提供了重要的思路和方法。

复变函数-级数

复变函数-级数
则∑ fn ( z ) = f1 ( z ) + f2 ( z ) + L + fn ( z ) + L为函数项级数
n=1
sn ( z ) = ∑ fk ( z ) —部分和函数
n
若 z 0 ∈ D , 有 lim sn ( z 0 ) = s ( z 0 ) ,
n→ ∞
k =1
收敛
称 ∑ f n ( z )在 z 0 点 收 敛 , 且 ∑ f n ( z 0 ) = s ( z 0 )
∞ ∞ k
( −1) nπ 1 ∑ ln n sin 2 = ∑ ln ( 2k + 1) 条件收敛 n =2 k =1
∞ ∞ k
∴ 原级数条件收敛 .
第二节 幂级数
第 二 节 幂 级 数
1. 幂级数的概念
1) 函数项级 数: 设 { fn ( z )}

( n = 1, 2 ,L) 为一复变函
数序列, z ∈ D
n n= 0


z < 1 q = z0
n= 0
2o 反证法
第 二 节 幂 级 数
综上得结论:幂级数 ( 2 ) 的收敛情况有三种
(1) 在复平面上处处收敛,
( 2 ) 只在z = 0收敛,
( 3) ∃R > 0 , 在圆C R:z
而 z = R上不定,
R = +∞
R=0
z = R内绝对收敛, > R 内发散,
n
( 2 ) ∑ ( cos in ) z n
n=0
c n +1 解: lim Q = lim n→∞ c n→∞ n
e n +1 + e − n −1 ) (

复变函数级数

复变函数级数

(2) 称 fn (z) f1(z) f2 (z) fn (z) n1 为区域 G 内的复变函数项级数,简称为级数.
一、幂级数的定义
1.基本概念
(3) 称 sn (z) f1(z) f2 (z) fn (z) 为级数 fn (z) 的
n 1
部分和.
(4)

z0
G,
若级数
n1
f
n
(

(3 4i) n (z 1)n .
n0
二、幂级数的收敛性
求下列幂级数的收敛半径及其收敛圆.

(1) ∑(cosin) zn ; n0

(1) 因为
cn
cos i n 1 (en en ) , 2
故 lim cn1
n cn
lim
n
en1 en
e n 1 en
e, 则 R 1,
e
收敛圆是 | z | 1 .
n0
( Ⅰ)
其中 z0 , cn 为复常数. 特别地,当 z0 0 时,有
cn zn c0 c1z c2 z2 cn zn
( Ⅱ)
n0
二、幂级数的收敛性
1.收敛定理(阿贝尔定理)
如果幂级数 cn zn 在 z z0 ( 0) n0
处收敛,则对满足 z z0 的 z ,
级数必绝对收敛;
2.必要条件
定理
若复数项级数
n 1
zn
收敛,则
lim
n
zn
0.
定理的逆命题不成立.
1 1
如, n1
(
n
i
n2
).
作用:

lim
n
zn
0,

数学物理方法复变函数第三章幂级数

数学物理方法复变函数第三章幂级数
阿贝尔判别法是通过对幂级数的部分 和进行估计来确定收敛半径的方法, 适用于幂级数的系数随幂次增加而趋 于零的情况。
柯西判别法是基于幂级数的系数和幂 次之间的关系来确定收敛半径的方法, 适用于已知幂级数展开的系数的情况。
比较判别法是通过比较两个幂级数的 系数来确定收敛半径的方法,适用于 已知两个幂级数展开的情况。
详细描述
通过将微分方程转化为幂级数形式,可以方便地求解出函数 的导数或积分,从而得到微分方程的解。这种方法在处理一 些复杂微分方程时具有明显的优势。
用幂级数求解积分方程
总结词
利用幂级数求解积分方程是一种有效的方法,能够得到精确的解或近似解。
详细描述
通过将积分方程转化为幂级数形式,可以方便地求解出函数的积分,从而得到积 分方程的解。这种方法在处理一些复杂积分方程时具有明显的优势。
收敛半径的概念
收敛半径是指幂级数展开的收敛域的半径,即幂级数在收敛域内可以收敛到原函数 的范围。
收敛半径的大小取决于幂级数的系数和幂次,可以通过比较相邻项的系数来确定。
如果收敛半径为正无穷大,则表示幂级数在整个定义域内都收敛;如果收敛半径为 零或负无穷大,则表示幂级数不收敛。
收敛半径的确定方法
确定收敛半径的方法有多种,其中常 用的有柯西判别法、阿贝尔判别法和 比较判别法等。
04
幂级数的应用实例
用幂级数求解初值问题
总结词
幂级数在求解初值问题中具有重要作用,能够将复杂的数学问题转化为易于解 决的形式。
详细描述
通过将初值问题转化为幂级数形式,可以方便地求解出函数的值,特别是在处 理一些难以直接求解的初值问题时,幂级数方法显得尤为重要。
用幂级数求解微分方程
总结词
利用幂级数求解微分方程是一种有效的方法,能够得到精确 的解或近似解。

复变函数的级数

复变函数的级数
n0
收敛,则当 z z0 z1 z0 时绝对收敛;
n
cn (z z0 )n cn (z1 z0 )n
z z0 z1 z0
n
M z z0 z1 z0
• z1 z0•
z•
因为
z z0 1, z1 z0
n
所以
M z z0 z1 z0
收敛。
cn (z z0 )n 收敛。
n0
cn (z z0 )n 绝对收敛。
n0
如果级数 cn (z z0 )n 在 z z2
n0
则当 z z0 z2 z0 时发散。
处发散,
• z3
利用反证法可以说明:
如 果 在 z3 收 敛 , 则 在 z2 收敛,矛盾。
z0• •z2
幂级数存在收敛半径 R
R
(1) R 0 时幂级数只在 z z0 点收敛
a
ba
b a
当 z a 1 即 z a ba 时
ba
1
zb
1 ba
n0
z b
a a
n
n0
(b
1 a)n1
(z
a)n
2. 幂级数的性质
定理3.9 级数 an zn 和 bn zn 的收
n0
n0
敛半径分别为 R1 和 R2 则在
z min{R1, R2}
内:
(1) an zn bn zn (an bn )zn
2
n
n0 n!
z 2n
n0 (2n)!
z
2 n 1
n0 (2n 1)!
都收敛
3.2 幂级数
1. 幂级数的概念
cn (z z0 )n c0 c1(z时
cn zn c0 c1z cn zn

复变函数级数收敛性

复变函数级数收敛性

复变函数级数收敛性复变函数级数是指形如$\sum_{n=0}^{\infty} a_n(z-z_0)^n$的级数,其中$a_n$为复数系数,$z$为复变量,$z_0$为复常数。

研究复变函数级数的收敛性是复分析中的一个重要课题。

本文将讨论复变函数级数的收敛条件及其在复平面上的收敛域。

一、幂级数的收敛性幂级数是复变函数级数的一种特殊情况,其系数$a_n$为常数。

对于幂级数$\sum_{n=0}^{\infty} a_n(z-z_0)^n$,其在某个复数$z_0$附近的收敛性由收敛半径$R$决定。

收敛半径$R$的计算公式为:$$R = \frac{1}{\lim\sup_{n\to\infty} \sqrt[n]{|a_n|}}.$$当$|z-z_0| < R$时,幂级数绝对收敛;当$|z-z_0| > R$时,幂级数发散;当$|z-z_0| = R$时,幂级数可能收敛也可能发散。

收敛半径$R$可用来确定幂级数的收敛域,即收敛的$z$的取值范围。

二、复变函数级数的收敛性对于一般的复变函数级数$\sum_{n=0}^{\infty} a_n(z-z_0)^n$,其中系数$a_n$为复数,我们可以通过Cauchy-Hadamard公式求解其收敛半径$R$。

公式如下:$$\frac{1}{R} = \lim\sup_{n\to\infty} \sqrt[n]{|a_n|}.$$类似于幂级数的情况,当$|z-z_0| < R$时,级数绝对收敛;当$|z-z_0| > R$时,级数发散;当$|z-z_0| = R$时,级数可能收敛也可能发散。

三、收敛域的性质1. 收敛域是开集:对于给定的收敛半径$R$,收敛域是以$z_0$为中心、半径为$R$的开圆盘,即$\{z\in\mathbb{C}: |z-z_0| < R\}$。

2. 边界上的收敛性:当$|z-z_0| = R$时,级数可能收敛也可能发散。

复变函数复级数的基本性质讲义

复变函数复级数的基本性质讲义

zD
(3) fn( p)(z) f ( p)(z)(内闭). ( p 1, 2, 3,
n1
证 (1)设z0为D内任一点,则必有>0,使闭圆K:
|z-a|≤ 全含于D内、若C为圆K:|z-z0|< 内任一围
线,则由柯西积分定理得
c fn (z)dz 0, n 1,2,,
再由假设即知级数
n1
n1 n
n

因为
an
n1
n1
1 n
发散;
bn
n1
n1
1 n2
收敛.
所以原级 数发散、
(2)级数
1 n2
n1
(1
i) n
是否收敛?
因为
an
n1
1 n1 n2
收敛;
所以原级
1
bn
n1
n1
n3
收敛 .
数收敛、
定理4、2 (Cauchy准则)复级数(4、1)收敛得 充要条件为:对任给ε>0,存在正整数N(ε),当n>N且 p为任何正整数时
|fn+1(z)+…+fn+p(z)|<ε (p=1,2,…)、
Weierstrass优级数准则: 如果整数列Mn(n=1,2,…),
使级对数一 切Mnz收∈敛E,,有则|复fn(函z)|数≤M项n 级(n=数1,2 ,…fn(z)),在而点且集正E项上
n1
绝对收敛且一致收敛:
n1
这样得正向级数 M n称为函数项级数 fn(z)
π n
n
(1
1)(cos nn
i sin
), n
所以
an
(1
1 ) cos n

复变函数的幂级数展开

复变函数的幂级数展开

数学物理方法

双边幂级数
a n ( z z0 ) n a 2 ( z z0 ) 2 a1 ( z z0 ) 1 a0 a1 ( z z0 ) a2 ( z z0 ) 2 an ( z z0 ) n
其中
f 1 ( z) f 2 ( z) f 3 ( z) ... f k ( z) ...
称为复变函数项级数,记为 为级数的前n项部分和.
f
k 1

k
( z ) ,称 S n ( z )
f
k 1
n
n
( z)
数学物理方法
级数收敛和发散的定义
S n ( z0 ) 存在,则称级数 若对于z0∈ D,极限nlim 在z0处收敛; S n ( z0 )不存在,则称级数 若极限 nlim 处发散.
1 2 1 3 1 4 (1) z z z z ... 2 3 4 k
k 1
z ...
数学物理方法
k
例3.7 将 f(z)=arctan z在z=0处展开成Taylor级数
解:设 arctanz ak z
k 0 k
(arctanz ) kak z k 1
函数 f(z)=cos z 在z=0点的Taylor级数展开
z z (1) z (1) z cos z 1 ... ... 2! 4! (2n)! (2n)! n 0
2 4 n 2n n
2n
数学物理方法
§3.3洛朗级数展开

补充:问题的提出
已知结果:当 f(z)在圆|z-z0|<R内解析,Taylor定 理告诉我们,f(z)必可展开成幂级数。 问题是:当 f(z)在圆|z-z0|<R内有奇点时,能否展 开成幂级数或展开成类似于幂级数的形式。
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

收敛圆 |z−b|=R (R<+) 上必有 f(z) 的奇点
例1:计算和函数 (1) zk , (2) (k 1) zk , | z | 1
k1 k
k0
解:几何级数 zk (1 z)1, | z | 1 k0
(1) 求导 d zk zk 1 (1 z)1
dz k 1 k k 1
以 b 为中心的最大解析圆盘:|zb| < dmin
• f(z) 在 b 处有泰勒展开
f(z) 在 b 处解析
对比实变函数:
exp( x2 ), f (x)
x 0,
f (k)(0) 0
0,
x0
3. 泰勒展开的方法
➢直接计算 k 阶导数
[ez ](k ) ez ,
[sin z](k) sin( z k ) 2
• 对洛朗展开的收敛环域,若其某个边界 是圆周,则此边界上必有 f(z) 的奇点
证明:对 zH,作圆 j : | b | rj , j H r r1 | z a | r2 R。复连通区域的柯西公式
1 f ( )d 1 f ( )d
f (z)
2 i 2 z 2 i 1 z
是环域 r< |z–b| < R,称之为收敛环域
• 阿贝尔定理 对 r < r1< R1<R
cn n 在 |ξ| ≤1/r1 一致收敛
n1
cn n 在 |η| ≤ R1 一致收敛
n0
R
b
R1
r1 r
C
• 在收敛环域 H:r< |z–b| < R 内,洛朗级数 (1) 在任意闭环域一致收敛,和函数 f(z) 解析; 沿环绕 b 的围线 C H 逐项积分
ez zk
k0 k!
代换 z iz 或 z iz
cos z ei z ei z [ (iz)k (iz)k ]/ 2
2
k0 k!
k0 k!
合并同类项
cos z
(1)n
z2n
n0
(2n)!
z
sin z cos z dz (1)k
z2k1
(cos z)
0
k0
(2k 1)!
斜对角线法则
n
n
cn a j bn j ank bk a0 bn a1 bn1 ... an b0
j0
k0
例1:求
f
(z)
1
1 z2

z=0
处的泰勒展开
方法1:变量替换 t z2 , (1 t )1 t k , | t | 1
k0
方法2:分式分解
1
1 z2
1( 1 2 1 z
[(1 z) ](k) ( 1)...( k 1)(1 z)k
ez zk , sin z sin(k / 2) zk ( z )
k0 k!
k0
k!
(1 z) 1 [1 ( 1)...( k 1) zk ] ( z 1)
k 1
k!
➢ 代数运算,逐项求导或逐项积分
(a (z
b)k b)k
k 1
(a b)k1 (z b)k
2. 洛朗定理
在环域 H:r < |z−b|< R 解析的函数 f(z) 可展开为
f (z) ck (z b)k ,
k
ck
1 2π i
f (z) C (z b)k1 dz
(洛朗展开)
其中:围线 C H 且环绕 b; 展开系数 ck 由 f(z) 和环域 H 唯一决定;
1/ z 1 2/
z
k0
1 zk1
k0
2k zk1
k 1
2k 1 zk1
例3:将函数 f (z) z3 sin z, g(z) ez e1/ z 在去心邻域
0 z 内作洛朗展开
目标:将 f(z), g(z)写成 z=0 处的洛朗级数 cn zn n
1
az
1/(a b) 1 (z b) /(a b)
a
1 (z b)k b k0 (a b)k
(z b)k k0 (a b)k1
情形②:|zb| > |ab|, q = (ab)/(zb), |q|<1
a
1
z
1
1/(z b) (a b) /(z
b)
1 zb
k0
k 0
收敛半径
R max{|
z b |,
ak (z b)k 收敛}
k0
幂级数 ak (z b)k 在收敛圆 |z−b|=R 的内部 k0
处处收敛,在收敛圆的外部处处发散
➢阿贝尔定理:若幂级数 ak (z b)k 在 z = z0 k0 收敛,则对 0<ρ < |z0−b|,该幂级数在闭圆盘
一致收敛级数的性质 + 阿贝尔定理
幂级数 ak (z b)k 的和函数 f(z) 在收敛圆内的 k0
任意闭圆盘 |z−b|≤ρ 一致收敛
逐项积分
z
f ()d
ak (z b)k1
b
k0 k 1
逐项求导 f ( p)(z) k (k 1)...( k p 1) ak (z b)k p k p
第三章 复变函数级数
Infinite series of complex functions
■复级数 ■幂级数 ■泰勒级数 ■洛朗级数 ■单值函数的孤立奇点
➢ 掌握复变函数的泰勒展开和洛朗展开 ➢ 判断复变函数的奇点种类
习题3.2:1(5);
习题3.3:1(1), 2(4), 3(3)
习题3.4:1(1), 2(1) 习题3.5:4(4)(8)(12)
➢幂级数的乘法运算:f (z) aj z j , g(z) bk zk
j0
k0
f (z) g(z)
a j bk z jk
j0 k0
b0 b1 b2 b3 …
合并同类项
f (z)g(z) cn zn n0
n j k, j 0, k 0

a0 a0b0 a0b1 a0b2 a0b3 a1 a1b0 a1b1 a1b2 a1b3 a2 a2b0 a2b1 a2b2 a2b3 a3 a3b0 a3b1 a3b2 a3b3
n 1
cn 1 k1 k !
§3.4 洛朗 (Laurant) 级数
1. 洛朗级数的收敛环域
以 b 为中心的洛朗级数:
def
ck (z b)k ck (z b)k ck (z b)k (1)
k
k 1
k0
设幂级数 ck k 和 ck k 的收敛半径分别
k 1
k0
为 1/r 和 R (r < R),则洛朗级数 (1) 的收敛范围
zE
|
k0
fk(z)
f (z)|
2. 一致收敛级数逐项积分、逐项求导
设 fk(z) 在点集 E 上一致收敛于 f(z)。 k0
(1) 若 fk(z) 都连续, 则和函数 f(z) 连续,对 曲线 C E,C f (z)dz C fk (z)dz k0
(2) 若 fk(z) 都在 E 内的闭圆盘 |z−a| ≤r 解析,
(2) 积分 z (k 1) zkdz zk 1 (1 z)1 1 0
k0
k0
ln(1 z) zk ,
(1 z)2 (k 1) zk ,
| z | 1
k1 k
k0
2. 幂级数的收敛半径
比值法 R lim | ak |
a k k 1
ak (z b)k
M | z b |k r k 0 rk
M max | f ( ) |
• z• r •
b
此级数在圆 上一致收敛,可逐项积分:
f (z)
1 2 i
k0
(z b)k f ()d ( b)k1
k0
f (k)(b)(z b)k k!
2. 收敛范围,特性
• f(z) 在 b 处的泰勒展式收敛半径 R = dmin dmin = min{ |ab|:a 为 f(z) 的奇点或 ∞ }


ck (z b)k
k0
ck (z b)k
k 1
逐项积分

2
•z
•b 1


f z
()
k
1
f
()( (z
b)k b)k
1
在 1 上有强级数
例2:将函数 f (z) (z 1)1(z 2)1 在下列圆环上 作洛朗展开,并指出相应的收敛环域
1) 0
z1
1 ;
2) 1
z
3 ;
3) 1
z
2;
4) 2 z
44
4
解:1) 0 z 1 1
4
1
1
(z 1)k
z 2 1 (z 1) k0
(z 2)1
f (z)
1
(z 1)k ,
0 z1 1
(z 1)
z 1 k0
在 2)-4) 中 f (z) (1 z)1 (2 z)1
2) 1 z 3
(展开方式唯一)
证明的出发点:柯西公式
1 f ( )d
f (z) 2 i z
: | b | r
• z• r
• b
D
对 , 1
1
( b)1
,
q z b , | q | 1
z ( b) (z b) 1 q
b
f ( )
z
f
() b
k
(z 0(
b)k b)k
,
在 上该级数有强级数
§3.1 复级数
1. 强级数,一致收敛
相关文档
最新文档