数学物理方法 / 复变函数
第四章学习讲义
解析函数的级数表示
按原书4.1—4.4完整展开。从无穷求和讲到泰勒、罗朗和奇点分类,重点建立独立做题所需的判断、计算与适用条件。
阅读方法与掌握边界
先看每节目标,再沿例题写出关键步骤,最后独立完成检查题。计算题先抓中心、区域和零点阶数;理论段落说明结论从哪里来,拓展段落说明为什么现在出现。
| 学习层次 | 完成标准 |
|---|---|
| 必须会算 | 能独立写出展开式、成立区域、零点或极点阶数。 |
| 必须理解 | 能解释为什么选用这条公式,以及它的前提。 |
| 证明思路 | 知道结论从哪里来;第一轮不要求复现所有估计。 |
| 拓展选学 | 知道用途,后续课程需要时再熟记特殊公式。 |
全章四项成果 能求收敛范围,能按指定中心展开,能按圆环选择正负幂,能检查孤立性并判断奇点类型。
第四章目录
4.1 幂级数教材 78—82 页
4.2 解析函数的泰勒展开教材 82—87 页
4.3 解析函数的罗朗展开教材 87—96 页
4.4 孤立奇点的分类教材 96—103 页
练习 练习与解题索引教材 103—107 页
第四章 / 4.1
幂级数
教材印刷页 78—82 · 本节目标 求收敛半径,区分收敛与绝对收敛,并检查边界。
本章任务与级数的用途
教材开头说,要讨论解析函数的两种级数展开式,并用它们研究解析函数。
这里的“级数展开”,你先理解成:
把一个函数,写成无穷多个比较简单的项相加。
例如:
左边是一个分式,右边是一串幂。
这样做有什么用?
因为右边把函数的结构摊开了。以后我们能从展开式里直接读出:
- 某一项的系数;
- 函数在某点附近首先出现的是几次幂;
- 一个分母为零的地方,到底能不能补上;
- 第五章计算留数时需要的那个系数。
所以,这章真正要练的是“把函数改写成便于观察和计算的形式”。
但改写之前有个问题:
无穷多个东西相加,究竟能不能得到一个确定的数?
4.1 就在解决这件事。
复数项级数和部分和
教材中先写:
然后写:
这里没有新的复数运算,就是把一串复数依次相加。
例如:
不过,“一直加下去”还不是一个严格的定义。
我们能实际算的是前面有限项的和:
一般写成:
这叫作部分和。
然后考察:
这一串数最终有没有趋近一个固定的、有限的复数。
如果:
就称原来的级数收敛,它的和就是
应当区分下面两个对象:
| 对象 | 意思 |
|---|---|
| 第 |
|
| 加完前 |
级数收敛,检查的是
这是这一定义的核心。
看下面的图。每加一项,部分和就在复平面上走一步。可以调公比和已加项数:
部分和:加完前 N 项,走到了哪里?
当公比是
当公比是
一直循环,不能稳定到一个位置。
注意:在有限范围里打转,也可能发散。“没有越跑越远”不等于收敛。
这一段的掌握要求:你要能解释“部分和是什么”“收敛检查谁的极限”。不用背定义原话。
实部与虚部的收敛判别
因为:
所以:
意思是:
所有实部加在一起,所有虚部加在一起。
一个复数要趋近固定位置,它的横坐标和纵坐标都必须趋近固定数。
因此:
这里的
例如,教材中第 79 页例 1:
拆开以后:
实部收敛,但虚部是发散的调和级数,所以原级数发散。
不能因为“一半收敛”,就认为整个复数级数收敛。
它就像平面上的点:横坐标稳定了,纵坐标还在变化,点仍然没有稳定下来。
做题怎么用:看见实部、虚部能方便拆开时,就用这个定理。通常不需要硬算整个部分和。
通项趋零的必要条件
教材中写:
为什么?
因为:
如果前后两个部分和都趋近同一个数
它的直观意思是:
如果最后已经快到终点了,每次再迈出去的那一步,必须越来越短。
但是,每一步越来越短,不保证总路程会稳定。
最典型的反例:
通项
如果你忘记它为什么发散,可以这样分组:
其中:
下一组:
后面每一组都至少贡献
做题时,正确用法是:
而当你发现
这一点必须熟练。 后面检查收敛圆周,经常就靠它直接判发散。
绝对收敛与条件收敛
教材中的定义是:
如果:
收敛,那么称:
绝对收敛。
这里“取模”的作用是,把方向去掉,只保留每一步的长度。
例如:
由于
于是:
收敛,因此原级数绝对收敛。
教材中后面接着给出:
为什么这个条件这么好用?
因为“总共走过的长度有限”,足以保证部分和最终趋近一个位置。你不必依赖不同方向之间的抵消。
但反过来不一定成立。比如:
收敛,而取绝对值以后变成:
发散。
这种“本身收敛,但不绝对收敛”的情形,叫作条件收敛。
因此,看到一道收敛判断题,你至少要分清:
| 结论 | 需要满足什么 |
|---|---|
| 绝对收敛 | |
| 条件收敛 | |
| 发散 |
特别注意:
只能说明“不绝对收敛”,不能直接宣布原级数发散。
原级数仍可能通过正负或方向抵消而收敛。
教材这一页还给了一个定理:
它来自:
以及:
这几行为什么要讲? 它保证了“整体取模”和“拆成实、虚部取绝对值”两种做法能互相对应。
现在掌握到什么程度:会取模、会判断“绝对收敛推出收敛”,并记住反向推不回来。上面几条不等式能看懂即可,不需要单独背一份证明。
几何级数及其成立范围
教材中讨论:
这一题你必须吃透,因为后面许多展开都靠它。
先求前
两边乘
相减:
当
然后才考虑
情况 1:
这时:
所以:
而且:
也收敛,所以这里是绝对收敛。
情况 2:
这时:
通项连零都不趋近,因此级数发散。
于是得到完整答案:
后续反复使用的是这个模板:
这里的
例如:
就有:
公式与成立条件必须一起写。
举个很能暴露错误的例子:如果把
这当然不成立。问题出在:你把一个只对
展开题中,条件是答案的一部分。
幂级数的中心与系数
教材写:
先分清三个角色:
| 符号 | 角色 |
|---|---|
| 固定的展开中心 | |
| 每一项前面的固定系数 | |
| 可以变化的自变量 |
例如:
就是一个幂级数。
它的:
如果固定一个
也就是前面讨论过的普通复数项级数。
所以:
幂级数的特点,是同一个表达式中,
可以取不同值。
某些
到底哪些
如果在某个范围内收敛,每个
“和函数”只是“把这一串加起来得到的函数”,没有额外神秘的含义。
还有一个容易漏掉的事实:
在中心
因为其余所有含正次幂的项都变成零。
阿贝尔定理与收敛圆结构
这一页的定理分两条。
第一条:
如果幂级数在某点
收敛,那么在所有比 更靠近中心 的点,都绝对收敛。
写成:
则:
这里比较的是到中心的距离。
例如,中心在
由于:
所以整个:
里面都绝对收敛。
它保证了一整块圆形区域,远远超过“实轴上某一段”。
为什么成立?教材下面那一长段证明,核心只有这一步。
已知:
收敛,那么它的通项趋于零,所以这些通项的模有一个共同上界
现在选一个更靠近中心的
于是:
右边的:
是收敛的几何级数,所以左边取模后的级数也收敛。
证明完成。
你可以把这个过程理解为:
向圆心靠近以后,第
项多乘了一个 。因为 ,这个因子会越来越小,把它压进一个收敛的几何级数里。
为什么要讲这段证明?
因为它解释了:幂级数的收敛范围为什么由“距离”决定,以及圆内为什么能保证绝对收敛。这正是后面收敛圆的依据。
掌握要求:理解“用
定理第二条:
如果在某个点发散,那么比这个点离中心更远的所有点都发散。
原因也很直接:假如外面某点收敛,按第一条,里面这个点就应该绝对收敛,产生矛盾。
但是,同样远的点,不能靠这两条定理互相判断。
这个细节马上就会影响做题。
收敛半径的计算
前面说明,幂级数的收敛情况有一个圆形结构。
这个圆的半径,叫作收敛半径,记作
当
最重要的是第三行。
收敛半径把“圆内”和“圆外”分开了;圆周上的结论,还没有给你。
另外两种特殊情况:
:所有有限的复数 都能使它收敛。 :只有中心 收敛。
教材这一页先借助实幂级数解释复幂级数。这段的作用,是把实变量中熟悉的收敛半径推广到复平面。
做本章计算题时,你不必每次再绕回实幂级数。直接使用上面三行结论即可。
收敛半径怎么求?
对:
如果相邻系数的比值可用,并且极限存在:
那么:
这里约定:
教材中还给出根值形式:如果相应极限存在,
同样有:
先优先练比值形式,通常比较好算。
为什么要取倒数?
因为整个通项取模后的相邻比值是:
极限为:
比值小于 1 时收敛,因此要求:
即:
所以半径就是
这里有两个做题提醒:
- 代入公式的是系数
,别把中心 混进去。 - 如果系数中有很多零,导致相邻比值没法算,就换方法;不要硬除。例如
,直接把它看成公比为 的几何级数即可。
收敛圆周上的三种情形
原题的三个级数是:
先看第一个:
于是:
所以:
第二个系数都是 1,显然也是:
第三个:
因此还是:
半径算完了,接着检查圆周
第一个:
在圆周上:
而:
收敛,所以整个圆周上都绝对收敛。
如果你暂时忘了它为什么收敛,可以用:
右边相加会大量抵消,总和有上界。
因此,第一个级数:
第二个:
在圆周上:
通项不趋于零,所以整个圆周上都发散。
因此:
第三个:
取圆周上的两个点,就足以完成教材中“举例说明”的要求。
在
发散。
在
是交错调和级数,收敛。
但取模后:
发散,所以这里是条件收敛。
因此,同一个圆周上,已经同时找到了收敛点和发散点。
把下面图中的距离调到
同一个收敛半径,圆周上会有三种情况
以后做题,“求收敛半径”和“讨论完整收敛范围”要分清。 后者可能还需要检查边界;复平面的边界是一整个圆周。
逐项求导与逐项积分
教材现在讨论:
它告诉你,在收敛圆内部,可以把每一项分别求导:
还可以继续求高阶导数:
这串系数看着长,其实就是普通求导:
这段为什么必须讲?
因为它允许我们从已经知道的展开式,制造新的展开式。教材中习题 2 的第(6)题就直接用它。
从:
两边求导:
再乘
一道展开题就做完了。
你需要学会这种操作:
看见待展开函数与某个熟悉函数存在求导、积分或乘除关系,就从熟悉的展开式出发。
教材中还说可以逐项积分。例如从中心
这里的
例如:
后面学习对数函数展开时,就会用上这个思路。
现在的掌握要求:
- 会逐项求导、积分;
- 处理正确幂次、系数和求和起点;
- 记住上述操作在收敛圆内部成立。
不要未经检查,就把圆内的操作延伸到圆周上。
系数与高阶导数
教材中最后给出:
它说得很快:“在前面的式子里令
我们把这一步展开。
先写:
代入
求一次导:
再代入
求两次导:
代入
所以:
同理:
一般就有:
因此:
原理就是:求
比它次数低的项,已经被求导求没了;次数高的项,仍含有
这一段还告诉你:幂级数的和函数在收敛圆内解析。这里“解析”沿用前面的定义,指函数在邻域中具有复导数。
这段为什么要讲?
它是下一节泰勒展开的入口:
但到这里,我们证明的方向是:
如果一个函数已经表示成幂级数,那么它的系数一定由这些导数决定。
下一节要进一步回答:
一个解析函数,是否一定能写成这样的幂级数?能在哪个范围内写?
这就是 4.1 和 4.2 的衔接。
本节掌握标准
暂时以本章习题为标准,下面这些要能独立完成:
- 分清通项
和部分和 。 - 会用“通项不趋于零”直接判发散。
- 分清收敛、绝对收敛、条件收敛。
- 熟练使用
- 能从幂级数中认出中心、系数,求收敛半径,并按题目要求检查边界。
- 会逐项求导、积分,理解
阿贝尔定理和收敛圆结构的证明,先理解关键逻辑,不要求第一次就能复现教材全部文字。 几何级数、收敛半径和适用条件,则必须练到会算。
衔接下一节:本节说明幂级数的和函数在圆内解析,并能由导数恢复系数。下一节反过来证明:解析函数能够展开成这样的幂级数。
第四章 / 4.2
解析函数的泰勒展开
教材印刷页 82—87 · 本节目标 以指定中心展开函数,写明范围,并读出零点阶数。
泰勒定理与解析条件
第 82 页开头:前节和这一节的区别是什么?
前节最后,我们知道:
如果已经有
那么它在收敛圆内解析,而且
这一节反过来问:
已知一个函数解析,它一定能写成这样的幂级数吗?
答案是:能,在展开中心附近一定能。
这就是泰勒定理:
展开写:
注意这里的前提:
单独知道某个位置的一个导数存在,还不够支撑后面的全部结论。
教材还提到:实变量函数即使有任意阶导数,也未必等于自己的泰勒级数。它是在强调复解析函数的一个强性质。
这句话对做题有什么用? 它告诉你:在本章的复解析条件下,泰勒展开能真正表示原函数。首次学习不用专门研究实变量反例。
收敛范围与泰勒定理的证明
教材说:以
对于本章常见函数,先把能消掉的因子消掉、把可补的洞补好,再找真正的奇点。于是:
泰勒展开在
中成立。
例如:
只有一个有限奇点
- 在
展开: 。 - 在
展开: 。
同一个函数,换展开中心,展开式和收敛半径都可能改变。
下面可以切换函数与中心。圆心是展开中心,叉号是真正的奇点:
从展开中心出发,最近的奇点挡在哪里?
还有一个特别容易误会的例子:
它在整个实轴上都没有分母为零的地方,但在复平面上有:
所以在
不能只在实轴上找奇点。
教材第 83 页的证明,看起来很长,核心可以拆成四步。
第一步:用第三章的柯西积分公式表示函数。
取一个以
这里:
是我们要计算的点; 是在圆周上跑的积分变量。
第二步:把分母配成几何级数。
因为
因此:
第三步:代回积分,把每个
得到:
第四步:用柯西高阶导数公式认出系数。
中括号正好等于:
于是得到泰勒展开。
教材中间估计余项的那些不等式,是为了保证上面“积分与无限求和交换”合法。余项被控制为类似:
当
这段证明为什么讲?
它解释了三件事:
- 为什么解析函数确实能展开;
- 为什么系数是导数除以阶乘;
- 为什么证明要求点严格位于圆内。
掌握要求:会讲这四步的逻辑;做普通展开题时,不需要重新写一遍余项估计。
展开唯一性及其用途
教材接下来讲唯一性。
如果在同一个中心
那么:
所以:
它对做题有什么用?
你不必每次都求一大堆高阶导数。只要通过合法运算找出了一个成立的幂级数,它就已经是泰勒展开。
例如:
既然已经成立,就不用再计算十次导数确认系数是不是 1。
教材随后把两个方向合在一起:
这里“局部”指在每个点的某个邻域中,不是说整个区域共用一个展开中心。
现在能用这个结论即可,不必把它当作另一套全新定义再背一遍。
指数与三角函数的基础展开
这三个式子对所有有限复数
你记忆时抓住结构:
:所有非负整数次幂; :只有奇次幂; :只有偶次幂;- 正弦、余弦交替变号;
- 分母是对应幂次的阶乘。
加上前节的:
这四个是后面展开题最常用的出发点。
非零中心的分式展开
题目说“在
排列。
做题的第一步:把展开中心平移到零。
令:
于是:
所以:
提出常数
现在已经配成几何级数:
这里:
因此:
条件来自:
这道题的通用步骤是:
这是必须练熟的计算方法。
比如习题 3(1):
令
因此:
中心不在零的题,先换成
指数与三角函数的组合展开
直接把两套无穷级数相乘也能做,但教材用了更省事的办法:
所以:
以及:
分别展开:
两式相加除以 2:
由于:
可化为:
两式相减除以
两个展开都在全平面成立。
这道例题要学什么?
要学“把组合函数改写成更容易展开的函数”。
这里还有一个细节:
其他改写也一样好用。比如习题 2(3):
于是直接得到:
级数的平方不能把每项直接平方,交叉项不能丢。 用三角恒等式改写,就省去了处理交叉项的麻烦。
对数函数的展开与分支
教材讨论在
第一轮先抓住:
复对数不同分支的值,可能相差
。展开之前,要知道你选择的是哪个分支。
从几何级数出发:
从
所以:
换一下编号:
为什么
因为距离中心
其他分支只需要改变常数项:
做题掌握要求:
- 熟记这个展开;
- 知道它可以由几何级数积分得到;
- 题目指定其他分支时,注意常数项;
- 首次学习不必在这里把整个对数分支理论重新展开。
逐项积分还直接解决习题 2 的两道题:
两式都可在全平面理解为相应解析函数的积分;第二式中原点的洞可以补上。
零点阶数及其判别
假设:
而且
它的泰勒展开可能是:
也就是说:
那么称:
最直接的读法:
找展开式中第一个系数非零的项,它的幂次就是零点阶数。
例如教材的:
由于:
所以:
第一项是
教材中接着给出两种等价判断。
判断 1:提出完整的零因子。
例如:
括号在
判断 2:看导数第一次在哪里不为零。
它与前面的系数公式:
完全一致。
做题时选方便的判断,不必三种都做一遍。
常用模板应熟悉:
为什么零点阶数在这里必须讲?
因为下一节判断极点时,基本上就是:
这部分对做题非常直接。
例如:
分子抵消了两阶,最后只剩二阶极点。
比较系数与递推关系
这直接对应习题 4。
已知:
不必反复求导。两边乘
比较同次幂系数:
- 常数项:
; - 一次项:
,所以 ; - 更高次项:
因此:
前五项就是:
最近的分母零点距离原点:
这类题的套路是:
习题 2(5)的
代入:
逐次比较系数,得到:
最近的余弦零点为
第四章 / 4.3
解析函数的罗朗展开
教材印刷页 87—96 · 本节目标 根据圆环选择展开方式,理解系数与奇点附近的结构。
罗朗级数与负整数次幂
第 87—88 页开头:为什么还需要另一种展开?
泰勒展开只有:
这些非负整数次幂。
但是:
在
怎么办?
允许使用:
于是得到罗朗级数:
把它拆开看:
罗朗级数就是允许负整数次幂的展开。
但不是允许任何幂。例如:
涉及分支,不能直接当成本章这种普通罗朗级数中的一项。
收敛圆环的来源
正幂部分:
通常要求离中心不要太远:
负幂部分:
可以令:
它就变成关于
要求
两边都要成立,因此取交集:
这就是收敛圆环。
你可以这样记:
- 正幂部分限制外边界;
- 负幂部分限制内边界;
- 罗朗级数要两部分分别收敛。
这里的双向无穷求和,不是在允许你随便把两端重新配对抵消。
特殊情况也包括在内:
:去掉中心的圆; :向外无限延伸的圆环;- 两者同时出现:整个去心平面。
罗朗定理与系数唯一性
定理说:
如果
内单值解析,那么在这个圆环中:
系数是:
这里
中心
因此,在中心是奇点时,不能再用:
硬求系数,因为中心的那些导数可能根本没有定义。
教材证明的结构仍然来自柯西积分公式。
选两个同心圆:
在 的内侧; 在 的外侧。
两条圆都按逆时针方向记,则:
外圆上:
所以像泰勒证明一样,展开出
内圆上:
就反过来配:
从而展开出
外圆贡献非负幂,内圆贡献负幂。
这就是整段证明最值得记住的结构。
教材随后证明展开唯一。核心积分是:
如果要提取
再积分,只有
因此:
为什么这个“同一圆环”必须说?
因为换圆环,展开式可能完全不同。下一道例题就是这件事。
这里也提前指出一个与第五章的联系:
第五章的留数,就是这个负一次幂系数。 所以罗朗展开不只是换一种写法,它会直接变成积分计算工具。
孤立奇点与去心邻域
假设:
内每个点都解析,只有中心
“孤立”的意思是:
能在它周围画一个足够小的去心圆,里面找不到其他奇点。
这种去掉中心的小圆,就是去心邻域。
例如:
在
但教材给的:
情况不同。
它在:
有奇点,而且:
因此,不管在
所以:
后面可去、极点、本性这三分法,针对的是孤立奇点。必须先检查“孤立”。
分式向内和向外的展开规则
先把最常用的规则讲透。
设要以
令:
则:
在内侧:
提出常数
因此:
得到的是非负次幂。
在外侧:
提出变量
因此:
得到的是负次幂。
这两种展开来自同一条几何级数公式。
它们都来自:
区别只是:哪个量除以哪个量,才能让模小于 1。
做题时最重要的顺序是:
同一函数在五个区域的展开
教材函数是:
先部分分式分解:
两个奇点在:
以
下面不仅做教材要求的外环,也把内圆、中间圆环一起做掉。它们能把方法串起来。
区域一:
对两项来说,都位于相应奇点的内侧:
因此:
这个区域包含中心,展开没有负幂,因此也是泰勒展开。
区域二:
对奇点 2,仍在内侧:
对奇点 1,已经在外侧:
所以:
现在同时出现了正幂和负幂。
区域三:
对两个奇点都在外侧:
因此:
注意
同一个函数,三个区域,三种展开。
下面切换区域,可以看见每个展开式究竟覆盖哪里:
同一个函数,展开区域变了,展开式也会变
教材还要求在
这时中心变了,要令:
于是:
在:
内:
因此:
如果改到外环:
则:
所以:
这里要提前指出一个非常重要的限制:
判断中心的奇点类型,必须用贴着中心的去心邻域展开。
上面外环展开有无限多个负幂,但中心
复合三角函数的罗朗展开
还是先换中心:
则:
利用正弦加法公式:
代入基础展开:
所以:
成立范围:
因为正弦、余弦的基础展开对任意有限输入都成立,而这里唯一排除的是
这道题训练的是:
不需要用罗朗系数积分公式一项一项去积。
贝塞尔函数与系数的两种表示
教材研究:
其中
它在整个去心平面解析,因此可以展开成:
这道例题的目的,是展示:
同一个罗朗系数,既能通过积分得到,也能通过相乘后的同次幂合并得到。两种结果相等,就产生特殊函数的表示公式。
方法一:用系数积分公式。
单位圆参数化:
而:
所以:
这里参数化后,前面的
把指数拆成余弦和正弦:
其中正弦积分为零。原因是作:
后,被积函数变号,因此积分等于自己的相反数。
于是:
方法二:拆成两个指数级数相乘。
分别展开:
两项相乘产生的幂次是:
要找
当
这个函数被记作:
也就是整数阶第一类贝塞尔函数。
负指标满足:
因此:
再利用罗朗展开的唯一性,把两种系数表示对应起来:
教材最后说
就能理解这个结论。
这一大段到底要学成什么样?
- 必须理解:合并同次幂时,令
。 - 应当理解:同一个系数的两种表示为何可以相等。
- 可以暂缓熟记:贝塞尔函数的积分式和完整系数式。
它出现在这里,是给后面的数学物理问题准备特殊函数,同时演示罗朗展开的用途。做本章普通有理函数展开、奇点分类题,不需要先把贝塞尔公式背熟。
第四章 / 4.4
孤立奇点的分类
教材印刷页 96—103 · 本节目标 判断孤立性,分类有限点和无穷远点,并确定极点阶数。
主部与孤立奇点的三种类型
第 96—97 页:先把“主要部分”这个术语说清楚
在贴着中心
中,设:
教材把负幂部分:
称为主要部分,也常叫主部。
非负幂部分称为正则部分。
这里的“主要”是在说:它决定中心附近的奇异性。
分类规则只有三条:
下面把负幂系数的位置画出来:
在贴着中心的去心邻域中,观察负幂系数
对极点,还要找最低的非零幂次。
例如:
是三阶极点。
它只有两项非零负幂,但阶数是 3。
可去奇点与有界判别
假设中心
没有负幂项。
那么只要补:
它就成为在
所以叫“可去”。
教材例子:
在
没有负幂项,因此:
教材中随后给出两个非常实用的等价条件。
在已经知道
也等价于:
做题最方便的往往是求有限极限。
例如:
所以
但“有界”必须是在整个复去心邻域有界。只沿实轴看见有界,不能直接套定理。
教材证明有界条件时,核心是估计负幂系数。
取一个很小的圆:
若
让
所有负幂系数都消失,因此可去。
这段证明的用途:解释为什么“有界”足以排除所有奇异负幂。会理解这一步即可,不必首次就熟练复现全部积分估计。
极点阶数与零点抵消
教材的等价条件是:
其中:
也就是说,已经把所有能抵消的零因子抵消完,分母最终还剩:
因此,判断商函数时最实用的规则是:
设:
则:
于是:
这就是为什么前面必须学零点阶数。
例如:
所以:
虽然原式分母是
再例如:
因此:
不要只看分母上的指数。
教材还给出:
因为:
等价于:
一个是分母中的
实际判断中,还有两个好用的极限形式:
以及,在孤立奇点前提下:
这里复数的“趋于无穷”指模趋于无穷,要求沿任意趋近方向都如此。
仅仅发现某条路径上函数变大,还不能判断为极点。
本性奇点与极限判别
本性奇点的定义是:
典型例子:
因此:
从极限角度看,在孤立奇点前提下:
对
沿正实轴
沿负实轴
两种行为不同,既不能补成一个有限值,也不可能沿所有方向都趋于无穷。
所以是本性奇点。
这也说明:
本性奇点附近也可能无界。判断极点要求更强:整个复变量极限的模都趋于无穷。
含正弦因子的分式分类
教材函数:
先找有限候选奇点:
然后逐个判断,每个点只关心在这个点会不会变成零的因子。
在
所以剩下:
阶极点。
也可以按教材写成:
括号补好后在
因此:
在
只有分母
因此:
在
分母
因此:
这类题的实际书写可以很短:
分子在该点的零点阶数为
,分母为 ,故为 阶极点。
前提是你确实把
复合余弦函数的本性奇点
候选点:
直接代入余弦展开:
负幂项无限多个,而且是在:
中成立的局部展开。
所以:
注意:只出现偶数负幂,也照样是无限多个。
乘除规则与取倒数的条件
这一段想告诉你:
一个本性奇点,乘除有限阶的零因子或极点因子,通常仍保留本性。
准确地说,设
在
例如:
乘
为什么这个结论成立?
如果乘上有限阶因子以后,函数只剩可去奇点或有限阶极点,那么再除回这个有限阶因子,原来的
但是,教材接着谈“本性奇点取倒数”时,需要特别注意:
否则,倒数会引入一串其他极点。
反例正是前面出现过的:
它在
在:
有无穷多个极点。
所以倒数在
这条也影响习题 16 中涉及倒数、分母本性函数的判断:先检查商在去心邻域是否解析,再谈三分法。
无穷远点与倒数变换
“研究
时函数的行为,包括所有复方向。
教材采用代换:
于是:
定义:
然后:
在无穷远点是什么类型,就看 在 是什么类型。
下面移动
z 越远,w = 1/z 越靠近原点
例如:
代换后:
所以:
再看:
代换后:
在零点没有奇异性,补值为零。因此:
正幂和负幂的角色,在无穷远点会反过来。
无穷远点的正幂判别
假设外部区域的展开是:
换成
于是:
的正幂,变成 的负幂; 的负幂,变成 的正幂。
所以对无穷远点:
仍然要先满足:无穷远点是孤立的。
几个例子一起看:
| 无穷远点 | ||
|---|---|---|
| 三阶极点 | ||
| 可去,补值 |
||
| 本性奇点 | ||
| 可去,补值 |
||
| 可去,补值 |
||
| 可去,补值 |
特别值得记住:
在
奇点类型是针对某个位置说的,不能给整个函数贴一个固定标签。
有理函数在无穷远点的分类
设:
其中:
最高次项分别是:
当
因此:
教材的例子:
分子一次,分母二次,所以:
因此:
如果是:
则:
所以无穷远点是三阶极点。
这类题不用长除法算完整展开,次数已经足够回答类型与阶数。
教材还提到:
- 非常数
次多项式,在无穷远点有 阶极点; 在无穷远点有本性奇点。
比如
无穷远点的孤立性检查
教材定义无穷远点是孤立奇点时,要求存在某个
也就是:
能不能画一个足够大的圆,把所有其他奇点都关在里面?
如果总有奇点跑到任意远的地方,无穷远点就是非孤立奇点。
例如:
它在:
有极点。这些极点可以离原点任意远。
所以:
同样:
在无穷远点也是非孤立奇点。
还有:
在:
有极点,这些极点也会跑向无穷远。
因此无穷远点仍然非孤立。
不要看见“极限不存在”,就立刻判本性。顺序必须是:
第四章 / 练习
练习与解题索引
教材印刷页 103—107 · 本节目标 按题型选择方法,通过分层练习检查独立解题能力。
原书习题的解题方法索引
下面不是要求你把所有题同时做完,而是把每组题需要调用的知识对齐。
| 习题 | 主要做法 | 需要练到的程度 |
|---|---|---|
| 1 | 求收敛半径,再单独检查圆周 | 能完整写清条件 |
| 2 | 已知展开式的代入、乘除、求导、积分 | 能选出省事的改写 |
| 3 | 先令 |
不把中心写错 |
| 4 | 消分母、比较系数 | 能推出递推关系 |
| 带星号的 5 | 对生成函数求导、比较系数 | 先理解方法,特殊公式可后补 |
| 6 | 几何级数代入 |
会把实三角级数合并成复数级数 |
| 7 | 展开 |
会由级数证明估计 |
| 8、9 | 提取零点因子、比较阶数 | 会处理极限、乘积、和、商 |
| 10、11 | 按指定圆环选择正幂或负幂展开 | 看到区域就知道怎样配几何级数 |
| 12 | 以指定中心画同心圆,计算到奇点的距离 | 能写正确的展开区域 |
| 13 | 有限奇点逐个分类,并检查无穷远点 | 能判断是否孤立、能算极点阶数 |
| 14 | 作 |
不混淆零点与无穷远点 |
| 15、16 | 比较有限阶因子,检查抵消和孤立性 | 不把可能抵消的情况强行定阶 |
其中几种证明题,再给你说明一下怎么起手。
习题 6:三角级数为什么引入复数?
因为:
右边分母有理化:
于是取实部、虚部,就同时得到:
要学的是把两套三角运算合并成一个几何级数。
习题 7:指数函数估计怎么证明?
从:
取模:
再用
这就得到原题要求的不等式。
要学的是:复杂复数表达式取模后,常能被一个实数正项级数控制。
习题 9、15:和的阶数为什么不能一概而论?
乘积、商可以直接加减阶数,但相加要防抵消。
例如两个一阶零点函数:
它们相加:
零点阶数从 1 提高到了 3。
两个同阶极点也可能抵消:
所以:
- 不同阶相加,较强的主导项通常决定结果;
- 同阶相加,必须检查首项系数是否抵消;
- 可能抵消到更高阶零点,也可能把极点完全消掉。
这就是题目中“讨论”的内容,不能随便给一个固定阶数。
四类题的书写流程
遇到一道题,先判断它属于哪一种。
要求泰勒展开:
要求罗朗展开:
要求有限奇点分类:
要求无穷远点分类:
基础展开式、几何级数的适用条件、零点与极点的阶数、按圆环选择展开方式,这几项需要练到能独立使用。泰勒定理和罗朗定理的长证明,先掌握它们的关键逻辑;贝塞尔函数和带星号生成函数题,先掌握“求系数、比较系数”的方法,再记具体公式。
A 基础检查
通项和部分和
判断
答案与解题依据
实部级数
两种极端收敛半径
求
答案与解题依据
第一式的系数比
同一个半径与不同边界
比较
答案与解题依据
三个级数的半径都为
换中心展开
把
完整步骤
令
最近奇点是
系数与恒等式改写
求
答案与解题依据
利用
零点阶数
判断
答案与解题依据
分别从
B 方法迁移
比较系数
若
完整步骤
两边乘
从展开读极点
在
完整步骤
最低非零幂次为
区域决定展开
分别在
完整步骤
不能。原点本来就是解析点。奇点分类必须使用贴着该中心的去心邻域展开,不能使用远离中心的外环展开。
抵消后的真实阶数
判断
完整步骤
原点是三阶极点。主部是
幂次平移与本性
判断
完整步骤
在
在无穷远点,令
取倒数前检查孤立性
答案与解题依据
分母在
C 综合判断
无穷远点的四种情况
分别判断
答案与解题依据
第一式可去,补值为
相加可能抵消
设
完整步骤
极点相加也可能降阶
设
完整步骤
一题串起零点展开和奇点分类
研究
完整步骤
分子在
在
展开中心是
完成标准
基础题 1—6 应当能独立写出条件和理由;迁移题 7—12 应当能解释为什么选这种展开;综合题 13—16 应当先检查孤立性,再给出类型和阶数。把“只差一步”的题标出来,定位是中心、区域、系数、零点阶数还是定义前提出了问题。
教材带星号的勒让德生成函数题和贝塞尔函数例题,第一轮优先学会求导后比较系数的办法。后续课程用到具体特殊函数时,再集中熟记它们的公式。