复变函数§3_泰勒级数概要
复变函数泰勒级数展开
理论意义
泰勒级数展开是复分析中的重要工具,它为研究函数的性 质提供了理论基础,有助于深入理解函数的性质和行为。
应用价值
泰勒级数展开在数学、物理、工程等多个领域都有广泛的应用 ,例如在信号处理、控制系统、量子力学等领域,泰勒级数展 开都发挥了关键作用。
指数函数e^z的泰勒级数展开
总结词
指数函数e^z在复平面上的泰勒级数展开 式为无限和的形式,可以表示为幂级数 的和。
VS
详细描述
e^z = 1 + z + z^2/2! + z^3/3! + ... + z^n/n! + ...,其中z为复数,n!表示n的阶 乘。这个级数是无限和的形式,可以用于 近似计算e^z的值。
对数学发展的推动
泰勒级数展开的发现和证明对数学的发展产生了深远的影响, 它不仅推动了复分析的兴起和发展,还为数学的其他分支提供 了新的思路和方法。
对未来研究的展望
深入研究泰勒级数展开的性质和特性
尽管泰勒级数展开已经得到了广泛的研究和应用,但关于其性质和特性的研究仍有许多值得深入探讨的问题,例如高 阶泰勒级数展开、非标准泰勒级数展开等。
值,并帮助理解函数的性质和行为。
04
泰勒级数展开的应用
在微积分中的应用
函数逼近
泰勒级数展开可以用来逼近复杂的函数,通过将复杂的函 数表示为简单的多项式之和,可以更好地理解和分析函数 的性质。
无穷级数求和
泰勒级数展开可以用来求无穷级数的和,这对于解决一些 数学问题非常有用,例如求定积分等。
数值分析
复变函数:泰勒级数
z z0 z z0 令 q, z z0 r
q与积分变量z无关, 且0q<1.
K
z z z0
复变函数与积分变换
Complex Analysis and Integral Transform
K含于D, f (z) 在D内解析, 在K上连续, 在K上有界, 因此在K上存在正实数 M 使| f (z) | M.
复变函数与积分变换
Complex Analysis and Integral Transform
泰勒级数
设函数f ( z )在区域D内解析,而 z z0 r为D内以z0为 中心的任何一个圆周,记作K,圆周及它的内部全含于D, 又设z为K内任一点。
z
z
z0
K
复变函数与积分变换
Complex Analysis and Integral Transform
.
z
因为ez在复平面内处处解析, 上式在复平面内处处成立, 收敛半径为+. 同样, 可求得sinz与cosz在z=0的泰勒展开式:
复变函数与积分变换
Complex Analysis and Integral Transform
z3 z5 sin z z 3! 5! z2 z4 cos z 1 2! 4!
z 2 n 1 (1) (2n 1)!
n 2n z (1) n (2n)!
z z
除直接法外, 也可以借助这些已知函数的展开式, 利用 幂级数的运算性质和分析性质, 以唯一性为依据得出函数的 泰勒展开式, 此方法称为间接展开法. 例如sin z在z=0的泰 勒展开式也可以用间接展开法得出:
N 1
由解析函数高阶导数公式,上式可写成
复变函数§3 泰勒级数
2
n
当z沿实轴从单位圆内部趋 近于1时:f (z)
即z 1是一个奇点。
推论4:设函数
f
(
z)在z
解析,且有
0
Taylor展开式:f (
z
)
Cn
(
z
-
z0
)n
,
n0
a是f (z)的距z0最近的一个奇点, 则R a - z0 为其收敛半径。
例如:f
(z)
z2
1 z
-6
f (z) cn (z - z0 )n 成立, 其中 n0
cn
1 n!
f
(n) (z0 ), n
0,1, 2,
.
注: 如果 f (z)在z0解析, 则使 f (z)在z0的泰勒展开式 成立的圆域的半径 R等于从z0到 f (z)的距z0最近一个奇点
a 的距离, 即R=|a-z0|.
y
n1
因此, 只有在R1<|z-z0|<R2的圆环域, 原级数才收敛.
例如级数
n1
an zn
n0
zn bn
(a与b为复常数)
R2 z0 R1
中的负幂项级数
an
zn
n1
n1
a z
n
,当
a z
1,
即| z || a | 时收敛,而正幂项级数
,
0 1
0
0
即 ln(1 z) z - z2 z3 - (-1)n zn1 | z | 1.ຫໍສະໝຸດ 23n 1推论1:
复变函数泰勒级数展开
同样的方法,可求得 cos z 在 z 0 0 邻域上的泰勒级数
z2 z4 z6 cosz1 L
2! 4! 6!
容易求得上面两个泰勒级数的收敛半径为无限大。 即 Z在全复平面上取值只要有限,上面两个级数 就收敛。
例3.3.3 在 z 0 1 的邻域把 f (z)lnz 展开。
C
f
(
( )d
z0 )n1
(
z
z0
)n
利用解析函数的高阶导数公式,上式即为
其中
f (z) an (z z0 )n n0
(3.3.3)
i an
1 2πi
f ( )d C ( z0 )n1
f (n) (z0 ) n!
(0,1, 2,L )
(3.3.4)
i
C
f
( )d
z
(3.3.2)
其中z在C的内部,,而 在C上取值, C取逆时针正方向. 故
z z0 z0
从而 z z 0 1 z0
因为 1 z(z0)1 (zz0) 1z01z1 zz0 0
根据
1
zn,
f ''(z)1!
f (3) (z) 2! z3
……
f (3) (z) 2!
于是可写成 z 0 1 在邻域上的泰勒级数
lnzln11(z1)1!(z1)22!(z1)3
1!
2!
3!
n2i(z1)(z1)2 (z1)3 (z1)4 L
2
3
4
可以求得上式的收敛半径为1。因此
f(k)(z0)f(k)(0)1
复变函数4.3泰勒定理概要
1 2 4 6 1 x x x 2 1 x
4.3.3、将函数展开成泰勒级数
常用方法: 直接法和间接法.
1.直接法:
由泰勒展开定理计算系数
1 ( n) c n f ( z 0 ) , n 0 , 1 , 2 , n!
将函数 f ( z ) 在 z0 展开成幂级数.
我们设法将被积式:
f ( ) z
图4.1
表示为一个含有z-a的正幂次级数.为此改写:
f ( ) f ( ) f ( ) 1 z a ( z a) a 1 z a a
(4.11)
由 时
za | za| 1, a
7) (1 z ) 1 z
( 1)
2! n!
z
2
( 1)( 2)
3! z n ,
z3
( 1)( n 1)
( z 1)
4.3.4 典型例题
1 例3 把函数 2 展开成 z 的幂级数. (1 z )
解
1 由于 在 z 1 上有一奇点z 1, 2 (1 z )
n 0
由定理4.13(3)即知 c'n 故展式是唯一的.
f
(n)
(a) cn (n=0,1,2,…), n!
1 f ( ) f (a ) cn d (4.9 ) n 1 2 i ( a ) n! 定义4.8 (4.8)称为f(z)在点a的泰勒展式, (4.9)称为其泰勒系数,而(4.8)右边的级数,则称 为泰勒级数.
注 (1)纵使幂级数在其收敛圆周上处处收敛,其 和函数在收敛圆周上仍然至少有一个奇点.
复变函数第四章级数
an 1 an
z n的收敛半径 :
an R lim 1 an
n
a n1
1 an1
lim
n
a(1
a
n
)
1 a
1.
1 an1
22
4、 幂级数的运算和性质
定理三 (1) 幂级数
f (z) cn (z a)n
(4.3)
n0
的和函数f(z)在其收敛圆K:|z-a|<R(0<R≤+∞)内解析.
f z cn z z0 n ,
D
n0
成 立 , 其 中cn
1 n!
f
nz0 , n
0,1, 2,,
d
• z0
并 且 展 开 式 唯 一. (证略)
31
注
⑴
f z cn z z0 n
n0
n0
f
n z0
n!
z
z0
n
=
f
z0 +
f z0 z - z0 +
f
z0
2!
z
-
z0
2
+
n
z a 收敛
z1 a
cn(z a)n 在圆K内绝对收敛. n0
推论: 若幂级数(4.3)在某点z2(≠a)发散,则它在以a为圆 心并且通过点z2的圆周外部发散.
z1 z2
a
2.收敛圆与收敛半径
z1
y
z.2
.
R
o
收敛圆 收敛半径
x 收敛圆周
幂级数 cnzn的收敛范围是以a点为中心的圆域.
常用的展开式:
ez 1 z z2 z3 zn
2! 3!
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。
复变函数 泰勒展式
n0
3z 2
n
n0
3n zn 2n1
,
z 2 3
三、 零点
哈 定义 设函数在z0点的某邻域内解析,
尔 滨
且f (z0 ) 0,那么称z0为f (z)的零点.
工
程 大
若f (z)在 | z z0 | 内的泰勒展开式为
学
复
f (z) cm (z z0 )m cm1(z z0 )m1 L ,
第四章 级 数
哈
尔 滨
§4.2 泰勒级数
工
程
大 学
学习要点
复
变
函
掌握函数的泰勒展式
数
一、泰勒定理
哈 尔
定理1 设 f (z)在圆域D :| z z0 | R内解析,那
滨 工
么f (z)在D内可以唯一地展开成幂级数,
程
大 学
f (z) cn (z z0 )n
n1
复 变 函 数
其中cn
f (n) (z0 ) n!
)n
复
变 函
结论1
如果f (z)有奇点,则使f (z)在z0的泰勒
数
展开式成立的圆域的半径R等于从z0
到距z0最近的f (z)的奇点之间的距离,
即R z0 .
哈
如
f
(z)
z(
1 z
1)
在z0
1处解析,则f
( z )的在
尔
滨 工
z0 1处泰勒展开式的收敛半径为R 1 0 1.
程
大
学 结论2
复
变 函
f (z)在z0解析 f (z)在z0的某邻域内
数
可以展开成幂级数 cn (z z0 )n .
复变函数泰勒级数讲解
f (z) 在 D ( K ? D)内解析, 则在K上连续,
因此 f (? ) 在 K 上也连续 , f (? ) 在 K 上有界 ,
6
即存在一个正常数 M, 在 K上 f (? ) ? M .
?? RN (z)
?
1 2π
K
?
n? N (?
f ?
(?
z0
) )n
?
1
(
z
?
z0 )n ds
? ? ? 1
z0 )n
泰勒级数
f (z) 在 z0的泰勒展开式 , 圆周 K 的半径可以任意增大 ,只要 K 在 D内成立.
8
如果 z0 到 D 的边界上各点的最短距离为 d , 那末 f (z) 在 z0 的泰勒展开式在 z ? z0 ? d内成立.
但 f (z) 在 z0 的泰勒级数 的收敛半径 R 至少等于 d ,
2! 4!
( 2n )!
(R ? ? )
16
2. 间接展开法 : 借助于一些已知函数的展开式 , 结合解析
函数的性质 , 幂级数运算性质 (逐项求导, 积分 等)和其它数学技巧 (代换等) , 求函数的泰勒展 开式 . 间接法的优点 :
因为凡满足 z ? z0 ? d 的 z 必能使
? f
(z) ?
? n?0
f
(n ) ( z0 ) (z ? n!
z0 )n
成立, 即 R
?
d.
由上讨论得重要定理 ——泰勒展开定理
9
二、泰勒定理
定理 设 f (z) 在区域 D 内解析, z0 为 D 内的一
点, d 为 z0到 D 的边界上各点的最短距离 , 那末
?
? 当 z ? z0 ? d 时, f (z ) ? cn ( z ? z0 )n 成立,
复变函数泰勒级数课件
03
复变函数中的泰勒
级数展开
幂函数展开
幂函数展开
对于形如 (z^n) 的幂函数,泰勒级 数展开为 (z^n = sum_{k=0}^{infty} frac{n!}{(n-k)!} cdot frac{1}{k!} cdot z^k)
举例
(z^2 = z cdot z = z + frac{1}{2}z^2 + frac{1}{24}z^4 + ldots)
在数值分析中的应用
函数的近似计算
对于一些难以解析的函数,可以利用泰勒级数进 行近似计算,得到其数值解。
数值积分与微分
通过泰勒级数,可以对函数进行数值积分或者微 分,从而得到函数的定积分或者导数。
求解微分方程
利用泰勒级数,可以将微分方程转化为代数方程 组,从而方便求解。
05
复变函数泰勒级数
的进一步研究
04
泰勒级数的应用
在信号处理中的应用
信号的近似表示
泰勒级数可以将复杂的信 号表示为简单的多项式之 和,从而方便分析信号的 特性。
信号的滤波
通过泰勒级数,可以设计 出特定的滤波器,用于提 取信号中的特定频率成分 或者抑制噪声。
信号的合成与调制
泰勒级数的展开可以用于 生成新的信号,或者对现 有信号进行调制,实现信 号的频谱搬移。
复变函数泰勒级数课 件
目录
CONTENTS
• 复数与复变函数础 • 泰勒级数展开 • 复变函数中的泰勒级数展开 • 泰勒级数的应用 • 复变函数泰勒级数的进一步研究
01
复数与复变函数基 础
复数的概念与性 质
复数的定义
复数是实数和虚数的和,形式为 $z=a+bi$,其中$a$和$b$是实数, $i$是虚数单位,满足$i^2=-1$。
复变函数中的Taylor 级数
将函数
f
(
z
)
(
z
1 2)( z
3)2
在 0 z 2 1 中展开成 Laurent 级数。
解
f
(z)
z
1 2
(z
1 3)2
1 1 z 3 (z 2) 1
1 1 (z 2)
(z 2)n ( z 2 1)
n0
1 (z 3)2
z
1
3
n0
(
z
2)n
n(z 2)n1 ( z 2 1)
的解析函数 f ( ) 。
1
R
则
R 即是 z
cn (z z0 )n
n0
z0
在
z
1
R
z0
1 R
z0 内绝对
收敛,且和函数是
z 的解析函数
f 1 z z0
Laurent 级数:
cn (z z0 )n cn (z z0 )n
n
n0 (1)
cn (z z0 )n
n1 (2)
n0 n!
n0 n!
ez 1 z z2 zn
2!
n!
( z )
例 3.7 cosz eiz eiz 2
1 2
n0
(iz)n n!
n0
(iz)n n!
ห้องสมุดไป่ตู้
iz2n i2n z2n (1)n z2n
iz 2n1 (iz)2n1
cos z (1)n z2n
n0 (2n)!
其中
cn
1
2
i
C
(z
f
(z) z0 )n1
dz
C
例3.17 把函数
西安交大复变函数课件4-3泰勒级数
泰勒级数的收敛性
收敛定理
泰勒级数在收敛的范围内可以逼近原函数。
收敛半径
收敛半径是泰勒级数收敛的最大范围。
收敛区域
收敛区域是泰勒级数收敛的范围。
泰勒级数的应用
1
逼近函数
泰勒级数可用于将一个函数在一定范围
求解极值与最大值
2
内逼近成一个无限多项式。
泰勒级数可以为函数的求导提供方便,
以便更好地求解其极值和最大值。
西安交大复变函数课件43泰勒级数
欢迎大家来到西安交大复变函数课件4-3泰勒级数的讲座。本次讲座,将向您 详细介绍什么是泰勒级数,它的定义与应用,以及它在数学上的重要性。
泰勒级数的定义
定义
泰勒级数是将一个函数在某一点展开成为无穷 级数的形式。
泰勒公式
泰勒级数的公式是函数在该点的n阶导数与函数 值的组合。
sin(x)的泰勒级数是x-x^3/3!+x^5/5!-x^7/7!+...。
计算ln(1+x)的泰勒级数
ln(1+x)的泰勒级数是x-x^2/2+x^3/3-x^4/4+...。
总结与展望
泰勒级数在数学上的重要性
泰勒级数为研究数学函数提供了重要而有益的 工具。
泰勒级数的未来发展方向
泰勒级数的未来发展方向包括研究更广泛的级 数及其应用。
3
计积分
泰勒级数可以在一些情况下,使得原本 无法简单计算的积分变得容易。
泰勒级数的误差估计
残余项
在无穷级数中,残余项表示距离级数中的前n项 的距离,可以用于控制无穷级数的精度。
泰勒展开的误差限制
误差限制是指泰勒级数的误差有一定界限,因 而误差可以在一定范围内得到控制。
复变函数(4.3.1)--泰勒极数
dz
� �( z �
z0
)n
¥
ᆬ n0
f
( n) ( z0 n!
)(z
z0
)n
.
定理 4.10 给出了函数在 z0 点的邻域内展开成 Taylor 级数的公式 , 同时给出了展开式的收敛半
径 R=|z0-|, 其中是离 z 最近的 f (z) 的奇点 .
Taylor 展开式的惟一性定理
e , ( 1)ln(1+ z)
f ᄁᄁ(z) ( 1)e( 2)ln(1+z) ,
L LL
f (n) (z) ( 1)L( n + 1)e( n)ln(1+z) ,
L LL 令 z=0, 有
f (0) 1, f ᄁ(0) , f ᄁᄁ(0) ( 1), L,
可展开为幂级
数
f (z) cn (z z0 )n , n0
其中
cn
1 n!
f
(n)(z0 )
D
z z在0 < R 内可
R
z0 .
( n 0, 1, 2,L) . 系数 cn 按上述表示的幂级数称为
f (z)在 z0 点的 Taylor 级数 .
证明 使得 r < R,
对
z
+L
z <1 .
( ) 例 3.4 将 f (z)
1 1+ z2
2 展开为 z 的幂级数 .
根据例 3.3 ,
¥ ( ) 1
(1 + x )2
ᆬ
(1)n(n + 1)x n
n0
x <1 ,
复变函数§3_泰勒级数概要
例2 求对数函数的主值ln(1+z)在z=0处的幂级数展开式.
[解] ln(1+z)在从-1向左沿负实轴剪开的平面内是解析的, -1是它的奇点, 所以可在|z|<1展开为z的幂级数.
y
-1
O
x
1 因为 [ln(1 z )] (-1) n z n , 逐项积分得 1 z n 0 z 1 z z n n d z d ( 1) d , 0 1 0 0 n 1 z 2 z3 z 即 ln(1 z ) z - - (-1)n | z | 1. 2 3 n 1 推论1:
K含于D, f (z) 在D内解析, 在K上连续, 在K上有界, 因 此在K上存在正实数 M 使| f (z) | M.
1 | RN ( z ) | 2π
K
f (z ) n ( z z ) ds 0 n 1 n N (z - z 0 )
n 1 | f (z ) | z - z0 ds 2π K n N | z - z0 | z - z0 1 M n Mq N q 2π r N 0 2π n N r 1- q f ( n ) ( z0 ) ( z - z0 ) n 因此, 下面的公式在K内成立: f ( z ) n! n 0
n
幂级数在收敛圆内的许多性质, 级数
n -
c (z - z )
n 0
n
c- n ( z - z0 ) c-1 ( z - z0 )
-n
-1
c0 c1 ( z - z0 ) cn ( z - z0 ) n ,
在收敛圆环域内也具有. 例如, 可以证明, 上述级数在收敛
chapter3复变函数的幂级数展开
n0
(1) 它的和函数 f (z) , 即 f (z) cn(z z0 )n
n0
是收敛圆 z a R 内的解析函数 .
(2) f (z) 在收敛圆 z a R 内的导数可将其幂
级数逐项求导得到, 即 f (z) ncn(z z0 )n1.
n1
求导后所得的幂级数收敛半径不变.
1 2πi
K
f
(
( )d
z0 )n1
(z
z0
)n
n0
f
(n) ( z0 n!
)
(
z
z0
)n
推导中用到导 数的柯西公式
f n z n!
2 i
f l z n1d , n 1, 2,
24
将函数展开成泰勒级数
常用方法: 直接法和间接法.
28
例如, 利用间接展开法求 sin z 在 z 0的泰勒展开式.
sin z 1 (eiz eiz ) 2i
1 2i
n0
(iz)n n!
(iz)n n0 n!
(1)n
z 2n1
n0
(2n 1)!
29
2)常见函数的泰勒展开式
1)定理 设 f (z) 在圆环域 R1 z z0 R2 内处处解
析, 那么 f (z) 在 D 内可展开成洛朗级数
f (z) cn(z z0 )n,
数学物理方法
李晓红
西南科技大学理学院
2019/9/1
1
复变函数的幂级数展开
一、幂级数 二、泰勒级数展开 三、洛朗级数展开 四、奇点
复变函数泰勒级数展开条件
复变函数泰勒级数展开条件
泰勒级数是将函数在某一点附近展开成幂级数的一种方法,它在求解复变函数的性质中有着重要的应用。
但是,不是所有的函数都能够通过泰勒级数展开来表示,下面我们就来探讨一下复变函数泰勒级数展开的条件。
设f(z)在z0的某个邻域内解析,则f(z)在z0处的泰勒级数为 $f(z)=sum_{n=0}^{infty}
frac{f^{(n)}(z_0)}{n!}(z-z_0)^n$
其中$f^{(n)}(z_0)$为f(z)在z0处的n阶导数。
那么,f(z)能否通过泰勒级数展开来表示呢?
对于实变函数来说,泰勒级数展开的条件是函数在展开点处有无穷阶导数。
但对于复变函数来说,情况要更为复杂。
我们可以通过考虑柯西-黎曼方程来求解这个问题。
根据柯西-
黎曼方程,如果f(z)在某个区域内可解析,则它在该区域内满足以下条件:
$frac{partial u}{partial x}=frac{partial v}{partial y}$ $frac{partial u}{partial y}=-frac{partial v}{partial x}$ 其中,f(z)=u(x,y)+iv(x,y)。
根据这个条件,我们可以得到如下结论:
当f(z)在z0处可解析时,它在z0处的泰勒级数展开收敛于f(z)的充要条件是:
1. f(z)在z0的某个邻域内解析。
2. f(z)在z0处有无穷阶导数。
3. 泰勒级数在z0处收敛于f(z)。
4. f(z)在z0处的导数的幅值不超过某一常数。
这些条件是复杂函数泰勒级数展开的基本要求,只有同时满足这些条件,才能通过泰勒级数展开来表示复变函数。
泰勒级数定义及公式
泰勒级数定义及公式
泰勒级数是一种用无穷级数来近似表示函数的方法。
它由苏格兰数学家布鲁尔·泰勒于18世纪提出,被广泛应用于数学、物理、工程等领域。
泰勒级数的定义如下:对于任意可导的函数f(x),在某个点a处,它的泰勒级数展开式为:
f(x) = f(a) + f'(a)(x-a) + f''(a)(x-a)^2/2! + f'''(a)(x-a)^3/3! + ...
其中,f'(a)表示函数f(x)在点a处的导数,f''(a)表示函数f(x)在点a 处的二阶导数,以此类推。
这个级数的每一项都包含了函数f(x)在点a处的导数信息。
泰勒级数的公式则是根据级数展开式得到的。
给定一个函数f(x),假设它在某个点a处具有无穷阶导数,那么它的泰勒级数展开式可以写为:
f(x) = Σ f^n(a)(x-a)^n/n!
其中,Σ表示无穷级数求和,n表示项的序号,f^n(a)表示函数f(x)在点a处的n阶导数。
泰勒级数的应用非常广泛。
通过泰勒级数展开,我们可以将复杂的函数近似为简单的多项式,从而简化了问题的求解过程。
在数值计算、信号处理、物理建模等领域,泰勒级数都有着重要的应用。
泰勒级数是一种用无穷级数来近似表示函数的方法,通过级数展开式和公式,我们可以将复杂的函数转化为简单的多项式,从而方便地进行计算和分析。
它的广泛应用使得许多领域的问题得以简化和解决。
- 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、"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、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)。
由于积分变量z 取在圆周K 上, 点z在K的内部,
z - z0 ( z - z0 ) n 1 所以 1, z - z0 z - z n 0 (z - z0 ) n 1
1 f (z ) d z n f ( z) ( z z ) 0 n 1 n 0 2 π i K (z - z0 ) 1 f (z ) n ( z - z0 ) d z . n 1 2 π i K n N (z - z0 )
K含于D, f (z) 在D内解析, 在K上连续, 在K上有界, 因 此在K上存在正实数 M 使| f (z) | M.
1 | RN ( z ) | 2π
K
f (z ) n ( z z ) ds 0 n 1 n N (z - z 0 )
n 1 | f (z ) | z - z0 ds 2π K n N | z - z0 | z - z0 1 M n Mq1- q f ( n ) ( z0 ) ( z - z0 ) n 因此, 下面的公式在K内成立: f ( z ) n! n 0
N -1
K
z z z0
由解析函数高阶导数公式,上式可写成
f ( z)
n 0 N -1
f ( n ) ( z0 ) ( z - z0 ) n RN ( z ) n!
其中
1 f (z ) n RN ( z ) ( z - z0 ) d z n 1 2 π i K n N (z - z0 )
z z e 1 z . 2! n!
z
2
n
z
因为ez在复平面内处处解析, 上式在复平面内处处成 立, 收敛半径为+.
同样, 可求得sin z与cos z在z=0的泰勒展开式:
2 n 1 z3 z5 z sin z z - - (-1) n 3! 5! (2n 1)! 2n z2 z4 z cos z 1 - - (-1) n 2! 4! (2n)!
§3 泰勒级数 设函数 f (z)在区域D内解析, 而|z-z0|=r为D内以 z0为中心的任何一个圆周, 它与它的内部全含于D, 把它记作K, 又设z为K内任一点.
z z0 K
z
按柯西积分公式, 有
且
1 f (z ) f ( z) dz , 2πi K z - z 1 1 1 1 z - z (z - z0 ) - ( z - z0 ) z - z0 1 - z - z0 z - z0
例1 把函数 1 1 z 展开成z的幂级数. [解] 由于函数有一奇点z-1, 而在|z|<1内处处解析, 所以 可在|z|<1内展开成z的幂级数.
2
1 2 n n 1 z z ( 1) z , | z | 1. 因为 1 z
将上式两边求导得
1 2 n -1 n -1 1 2 z 3 z ( 1) nz , | z | 1. 2 (1 z )
f ( z ) cn ( z - z0 ) n 成立 , 其中
n 0
1 (n) cn f ( z0 ), n 0,1, 2,. n! 注: 如果 f (z)在z0解析, 则使 f (z)在z0的泰勒展开式 成立的圆域的半径 R等于从z0到 f (z)的距z0最近一个奇点 a 的距离, 即R=|a-z0|.
如果能证明 lim RN ( z ) 0在K内成立, 则
N
( z0 ) f ( z) ( z - z0 ) n K n! n 0 在K内成立, 即 f (z)可在K内用幂级数表达.
f
(n)
z z z0
z - z0 z - z0 令 q , q与积分变量z无关, 且0q<1. z - z0 r
例2 求对数函数的主值ln(1+z)在z=0处的幂级数展开式.
[解] ln(1+z)在从-1向左沿负实轴剪开的平面内是解析的, -1是它的奇点, 所以可在|z|<1展开为z的幂级数.
y
-1
O
x
1 因为 [ln(1 z )] (-1) n z n , 逐项积分得 1 z n 0 z 1 z z n n d z d ( 1) d , 0 1 0 0 n 1 z 2 z3 z 即 ln(1 z ) z - - (-1)n | z | 1. 2 3 n 1 推论1:
z z
除直接法外, 也可以借助一些已知函数的展开式, 利用幂级 数的运算性质和分析性质, 以唯一性为依据来得出一个函 数的泰勒展开式, 此方法称为间接展开法. 例如sin z在z=0 的泰勒展开式也可以用间接展开法得出:
1 iz -iz 1 (iz ) n (-iz ) n sin z (e - e ) - 2i 2i n 0 n ! n 0 n ! z3 z5 z 2 n 1 n z - - (-1) z 3! 5! (2n 1)! n 0
y
a
z0
x
任何解析函数展开成幂级数的结果就是泰勒级数, 因而是唯一的. 利用泰勒展开式, 我们可以直接通过计算系数:
1 (n) cn f ( z0 ) (n 0,1,2,) n!
把 f (z)在z0展开成幂级数, 这被称作直接展开法
例如, 求 ez 在 z = 0处的泰勒展开式, 由于(ez)(n) = ez, (ez)(n)|z=0 = 1 (n=0,1,2,...) , 故有
称为f (z)在z0的泰勒展开式, 它右端的级数称为 f (z)在z0处 的泰勒级数.
圆周K的半径可以任意增大, 只要K在D内. 所以, 如果 z0到D的边界上各点的最短距离为d, 则 f (z)在z0的泰勒展 开式在圆域 |z-z0|<d 内成立.
定理(泰勒展开定理) 设 f (z)在区域D内解析, z0为D内的一 点, d为z0到D的边界上各点的最短距离, 则当|z-z0|<d 时,