精选数学分析函数的幂级数展开讲解讲义

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精选数学分析函数的幂级数展开讲解讲义

n0
n!
lim ( 1) ( n) xn1 0.
n
n!
又 x 1, 有 1 x 1 , 且0 1 1, 从而有 1 x
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1 1 x
n
1.
再当 | x | 1时, 有0 (1 x)1 (1 | x |)1 21.于
是当 1 时 (1 x)1是与 n 无关的有界量;当
如果 f 能在点x0的某邻域上等于其泰勒级数的和函
数, 则称函数 f 在点 x0 的这一邻域内可以展开成泰
勒级数, 并称等式
第六页，总共三十四页。
f (x)
f ( x0 )
f ( x0 )( x x0 )
f
( x0 2!
)
(
x
x0
)2
f
(n) ( x0 n!
)
(
x
x0
)n
(4)
的右边为 f 在 x x0 处的泰勒展开式, 或幂级数展
论如下:
当 1 时, 收敛域为 (1, 1);
当 1 0 时, 收敛域为 (1, 1];
当 0 时, 收敛域为[1, 1].
第二十二页，总共三十四页。
当 (7)式中 1时就得到
1 1 x x2 1 x
当 1 时得到
2
(1)n xn
, x (1, 1). (8)
1 1 1 x 13 x2 135 x3 , x (1, 1]. (9)
解由于 f (n)( x) ex , f (n)(0) 1(n 1, 2, ), 因此 f
的拉格朗日余项为
Rn( x)
e x (n 1)!
x n1 (0
1).
显见
第十一页，总共三十四页。

第三章解析函数的幂级数展开30页

第三章解析函数的幂级数展开¤目录x1 复常数项级数2一基本概念与基本判敛法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2二*判敛法的进一步讨论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3x2 复函数项级数5一普通函数项级数. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5二一致收敛的函数项级数. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6三解析函数项级数. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11四*Riemann ³函数、Riemann 假设与千禧数学难题. . . . . . . . . . . . . . . 12x3 幂级数14一幂级数的敛散性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14二收敛半径的求法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15三和函数的解析性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15x4 解析函数的Taylor 展开16一Taylor 定理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16二展开式的收敛半径. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18三初等单值函数的Taylor 展开式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18四初等多值函数的Taylor 展开式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19x5 解析开拓的基本概念21¤c°1992{2019 林琼桂本讲义是中山大学物理系学生学习“数学物理方法”课程的参考资料，由林琼桂编写制作．欢迎任何个人复制用于学习或教学参考，欢迎批评指正，但请勿用于出售．1x1 复常数项级数2本章先介绍复数级数、尤其是幂级数的性质，然后利用Cauchy 积分公式导出解析函数的Taylor 展开式．x1 复常数项级数一基本概念与基本判敛法复常数项级数具有形式1 X k=1®k = ®1 + ®2 + ¢ ¢ ¢+ ®k + ¢ ¢ ¢ ; (1)其中每一项都是复数，s n = P nk=1 ®k 称为其部分和，如果lim n!1 s n = s 是有限复数，则称级数(1) 收敛于s，s 称为其和，记作P1k=1 ®k = s，否则称级数(1) 发散．注发散包括两种情况：1°lim n!1 s n = 1；2°数列fs n g1n=1 没有极限．设®k = a k + i b k（其中a k 2 R; b k 2 R; k 2 N），则不难证明，级数(1) 收敛的充要条件是级数P1k=1 a k 和P1k=1 b k 均收敛．这使得我们原则上可以用实级数的判敛方法来对复级数进行判敛，但在实用上这并不是很有效．比如级数P1k =1(p + i q)k（其中p 2 R; q 2 R），其通项的实部和虚部都比较复杂，难以用上述方法来判敛．根据上述充要条件，如果级数(1) 发散，则级数P1k=1 a k 和P1k=1 b k 不可能都收敛，但其中有一个收敛显然是可能的．比如当所有的a k = 0，则P1k=1 a k 显然收敛，不过这是平庸的情况．非平庸一点的例子如级数P1k=1(1=k2 + i=k)，它显然发散，但其实部所构成的级数是收敛的．对于数列fs n g1n=1 是否收敛、即其极限是否存在的问题，类似于实数列，我们有Cauchy收敛原理：数列fs n g1n=1 收敛的充要条件是，8 " > 0，9 n0 2 N，当n > n0 时，8 p 2 N，均有js n+p ¡ s n j < "．（这一精确描述的大意是：当数列的下标足够大以后，任取两项，其距离都可以任意小．更形象地说，越往后，数列的各项就越是挤在一起．这样自然就有极限了．）据此，立得关于级数(1) 的Cauchy 收敛原理：定理（Cauchy 收敛原理）级数(1) 收敛的充要条件是，8 " > 0，9 n0 2 N，当n > n0时，8 p 2 N，均有¯¯¯¯¯p X k=1®n+k¯¯¯¯¯< ": (2)作为上式的特例，取p = 1，即得®n+1 < "，所以级数(1) 收敛的必要条件是limk!1®k = 0: (3)如果这一条件得不到满足，我们马上可以断定级数是发散的．Cauchy 收敛原理无疑是一个最基本的判别法，但是使用这一判别法需要计算式(2) 中的求和，或至少要估计其上限（更准确地说，是估计其模的上限），这只有在少数简单情况下可以做得到，比如几何级数P1k =1 ®k．x1 复常数项级数3根据Cauchy 收敛原理，在级数(1) 中添加或去掉有限项，并不改变级数的收敛或发散性质．如果级数1 X k=1j®k j (4)收敛，则称级数(1) 绝对收敛．收敛但不绝对收敛的级数称为条件收敛．定理绝对收敛的级数必定收敛．这是因为¯¯¯¯¯p X k=1®n+k¯¯¯¯¯·p X k=1j®n+k j:设®k = a k + i b k（其中a k 2 R; b k 2 R; k 2 N），显然ja k j · j®k j，jb k j · j®k j，而j®k j ·ja k j+jb k j，由正项级数收敛的比较判别法，易知级数(1) 绝对收敛的充要条件是级数P1k =1 a k 和P1k=1 b k均绝对收敛．当然，级数(1) 条件收敛甚至发散，并不排除级数P1k=1 a k 和P1k=1 b k 当中可以有一个绝对收敛．比如当所有的a k = 0，则P1k=1 a k 显然绝对收敛，不过这是平庸的情况．非平庸一点的例子如级数P1k=1(cos kµ=k2 + i=k) 和P1k=1[cos kµ=k2 + i(¡)k¡1=k] （其中0 · µ < 2¼），前者显然发散，而后者条件收敛，但它们的实部所构成的级数是绝对收敛的．在实际操作上，给定一个级数，我们先看看式(3) 是否满足，若不满足，我们马上可以断定级数发散．若式(3) 得到满足，再看相应的级数(4) 是否收敛，若收敛，则原级数绝对收敛．由于级数(4) 是正项级数，我们可以用正项级数的种种判别法来判敛，比如比较判别法、Cauchy 判别法、d' Alembert 判别法、Cauchy 积分判别法等．如果式(3) 得到满足，而相应的级数(4) 又不收敛，则需要进一步判断原级数是发散还是条件收敛．不过，如果是由Cauchy 判别法或d' Alembert 判别法得到级数(4) 发散，则原级数必定也发散，因为这时式(3) 必不满足．其它情况下要进一步判断原级数是否条件收敛就比较困难．这时可以尝试计算式(2) 中的求和，或估计其上限，如果成功，就可以用Cauchy 收敛原理来判断，如果式(2) 中的和式无法计算或估计上限，则可以尝试下面介绍的方法．就我们所知，并没有什么方法能够百分之百地解决任何级数的判敛问题．例1 几何级数P1k=1 ®k．当j®j < 1 时，由于正项级数P1k =1 j®j k 收敛，故原级数绝对收敛．当j®j ¸1 时，式(3) 不能成立，故原级数发散．二*判敛法的进一步讨论下面介绍一些更细致的判别法．对于和式P nk=1 a k®k，其中a k 2 R，®k 2 C，令A k =k X i=1®i; (5)则®k = A k ¡ A k¡1，其中A0 ´0．于是P nk=1 a k®k = P nk=1 a k(A k ¡ A k¡1) = P nk=1 a k A k ¡P nk=1 a k A k¡1 = P nk=1 a k A k ¡P n¡1k=1 a k+1A k = a n A n +P n¡1k=1(a k ¡ a k+1)A k，即n X k=1a k®k = a n A n +n¡1 X k=1(a k ¡ a k+1)A k: (6)x1 复常数项级数4上式称为Abel 变换，它把一个求和变成另一个求和，这对于和式的计算未必有帮助，但在估计和式的上限时会很有用，下面马上就可以看到．如果a k 2 C，上式仍然成立，但下面用到的都是a k 2 R 的情况．引理（Abel）若fa k g nk=1 单调（增加或减少），而fA k g nk=1 有界，即9 M > 0，使得jA k j · M，则¯¯¯¯¯n X k=1a k®k¯¯¯¯¯· M(ja1j + 2ja n j): (7)注“fa k g nk =1 单调”就意味着a k 2 R，因为虚部不为0 的复数是没有大小可言的．证明由Abel 变换式(6)，有n X k=1a k®k¯¯¯¯¯· ja n jjA n j +n¡1 X k=1ja k ¡ a k+1jjA k j · Mja n j +n¡1 X k=1Mja k ¡ a k+1j:若fa k g nk=1 单调减少，则a k ¡ a k+1 为正数，这时ja k ¡ a k+1j = a k ¡ a k+1，故n X k=1a k®k¯¯¯¯¯· Mja n j +n¡1 X k=1M(a k ¡ a k+1) = Mja n j +M(a1 ¡ a n) · M(ja1j + 2ja n j): (8a)fa k g nk=1 单调减少的一种特殊情况是a1 ¸ a2 ¸ ¢ ¢ ¢ ¸ a n ¸0，这时容易看出n X k=1a k®k¯¯¯¯¯· Mja n j +n¡1 X k=1M(a k ¡ a k+1) = Ma n +M(a1 ¡ a n) · Ma1: (8b)这是一个更强的结果．若fa k g nk =1 单调增加，则a k ¡ a k+1 为负数，这时ja k ¡ a k+1j = a k+1 ¡ a k，故n X k=1a k®k¯¯¯¯¯· Mja n j +n¡1 X k=1M(a k+1 ¡ a k) = Mja n j +M(a n ¡ a1) · M(ja1j + 2ja n j): (8c)综合式(8a) 和式(8c)，即得式(7)，证毕．有了Abel 引理，马上可以得到以下两个判别法．定理（Abel 判别法）若数列fa k g1k=1 单调有界，而级数P1k=1 ®k 收敛，则级数P1k=1 a k®k 收敛．注°1 如果P1k =1 ®k 是正项级数且收敛，则只要数列fa k g1k =1 有界，级数P1k =1 a k®k 就收敛，而且是绝对收敛．在直观上，这是很容易理解的．证明也很容易．事实上，数列fa k g1k=1 有界意味着9 K >0，使得ja k j · K，8 k．今¯¯¯P n+pk=n+1 ja k®k j¯¯¯ = P n+pk=n+1 ja k j®k · K P n+pk=n+1 ®k = K¯¯¯P n+pk=n+1 ®k¯¯¯，故由正项级数P1k=1 ®k 收敛，立得级数P1k =1 a k®k 绝对收敛．°2 但是，现在®k 可正可负，也可能是复数，这时，数列fa k g1k=1 不仅要有界，而且必须单调，才能保证级数P1k=1 a k®k 收敛．这一单调的要求虽然不是很直观，但很容易举例说明这一要求是无法取消的．比如a k = (¡)k¡1 显然有界，但不单调，若®k = (¡)k¡1=k，则P1k=1 ®k = P1k=1(¡)k¡1=k 收敛，但P1k =1 a k®k = P1k=1 1=k 发散．有的读者可能会认为这是由于a k 可正可负造成的，那么如果a k 非负且有界，是否就可以不必单调呢？答案还是不可以．比如a k = 1 + (¡)k¡1=pk 显然有界而且是恒正的，但不单调，如果®k = (¡)k¡1=pk，则P1k=1 ®k = P1k=1(¡)k¡1=pk 收敛，但这时P1k=1 a k®k = P1k =1[1=k + (¡)k¡1=pk] 是发散的．由此可见，数列fa k g1k=1 单调的要求是很重要的．证明已知数列fa k g1k =1 有界，则9 K > 0，使得ja k j · K，8 k．而级数P1k=1 ®k 收敛，故8 " > 0，9 n0 2 N，使得当n > n0 时，有n+m X k=n+1®k¯¯¯¯¯· "; 8 m 2 N:x2 复函数项级数5又数列fa k g1k=1 单调，由Abel 引理，当n > n0，n+p X k=n+1a k®k¯¯¯¯¯· "(ja n+1j + 2ja n+p j) ·3K"; 8 p 2 N:由Cauchy 收敛原理，级数P1k =1 a k®k 收敛．证毕．定理（Dirichlet 判别法）若数列fa k g1k=1 单调趋于0，而级数P1k =1 ®k 的部分和有界，则级数P1k =1 a k®k 收敛．证明已知数列fa k g1k=1 趋于0，则8 " > 0，9 n0 2 N，使得当k > n0 时，有ja k j < "．而级数P1k =1 ®k 的部分和有界，故9 M > 0，使得js k j · M，8 k 2 N，于是，n+m X k=n+1®k¯¯¯¯¯= js n+m ¡ s n j · js n+m j + js n j ·2M; 8 n;m 2 N:又数列fa k g1k=1 单调，由Abel 引理，当n > n0，n+p X k=n+1a k®k¯¯¯¯¯·2M(ja n+1j + 2ja n+p j) < 6M"; 8 p 2 N:由Cauchy 收敛原理，级数P1k =1 a k®k 收敛．证毕．例2 研究级数P1k=1 e i kµ=k s 的敛散性，其中0 · µ < 2¼，s > 0．解由于s > 0，收敛的必要条件总是满足的．(1) 如果s > 1，由于其模构成的级数P1k =1 1=k s 收敛，故原级数绝对收敛．由此可知，级数P1k =1 cos kµ=k s 和P1k=1 sin kµ=k s 当s > 1 时绝对收敛．(2) 如果0 < s ·1，由于其模构成的级数P1k=1 1=k s 发散，故原级数不能绝对收敛．若µ= 0，原级数亦成为P1k=1 1=k s，显然发散．若µ 6= 0，我们就有n X k=1e i kµ¯¯¯¯¯e iµ(1 ¡e i nµ)1 ¡e iµ¯¯¯¯ = j sin(nµ=2)jsin(µ=2) ·1sin(µ=2); (9)亦即级数P1k=1 e i kµ的部分和数列有界，而数列f1=k s g1k=1 单调趋于0，根据上面的Dirichlet 判别法，原级数收敛，亦即条件收敛．由此可知，级数P1k =1 cos kµ=k s 和P1k=1 sin kµ=k s 当0 < s ·1 且µ 6= 0时收敛，不过对于后一级数，µ 6= 0 的限制是不必要的，因为这时它的通项为0，是一个平庸的级数．这两个级数之所以能够收敛，主要是因为三角函数的出现使得各项有正有负，互相抵消．前面指出，当原级数条件收敛时，级数P1k=1 cos kµ=k s 和P1k=1 sin kµ=k s 当中有一个绝对收敛是可能的．不过，实际上这两个级数都不能绝对收敛．事实上，j cos kµj ¸cos2 kµ= (1+cos2kµ)=2，由于P1k =1 1=k s 发散而P1k=1 cos 2kµ=k s 收敛，故正项级数P1k=1(1+cos 2kµ)=2k s 发散，由正项级数的比较判别法，P1k=1 j cos kµj=k s 发散．类似可证P1k=1 j sin kµj=k s 发散．x2 复函数项级数一普通函数项级数设级数1 X k=1f k(z) (10)x2 复函数项级数6的每一项都是定义在点集E 上的复变函数，则该级数称为复函数项级数，s n(z) = P nk=1 f k(z)称为其部分和．如果对E 中的一点z0，常数项级数P1k=1 f k(z0) 收敛，则称级数(10) 在z0收敛；如果8 z 2 E，级数(10) 都收敛，则称它在点集E 上收敛，这时级数在E 上每点有和，记作f(z)，称为其和函数，即1 X k=1f k(z) = f(z):从上述定义可以看出，这是一个逐点收敛的概念．取定一点，则级数(10) 成为一个常数项级数，其判敛方法与上节所述无异．二一致收敛的函数项级数对于函数项级数的研究，不能只是满足于逐点收敛的概念．因为即使级数(10) 在E 上处处收敛，我们也看不出它在E 上各点的行为有何共性．既然是函数项级数，我们自然更关心这种共性．更重要的是，即使级数(10) 在E 上处处收敛，我们也无法由级数中各项均具有某种性质（比如连续、可导）而推断其和函数具有同种性质．为了研究和函数的性质，一个关键的概念是一致收敛，即级数在各点的收敛速度大致相同．这一概念的精确描述如下．定义（一致收敛）设在点集E 上存在函数f(z)，如果8 " > 0，9 n0 2 N，当n > n0 时，js n(z) ¡ f(z)j < "在E 上处处成立，则称级数(10) 在E 上一致收敛于f(z)．按这一定义，一致收敛当然就收敛，但反之则不然．让我们看看收敛与一致收敛的区别在于何处．如果级数(10) 在E 上收敛于f(z)，则8 " > 0，对于每一点z 2 E，9 n0 2 N，当n > n0 时，js n(z) ¡ f(z)j < " 在该点z 成立，由此可以看出，对于同样的"，不同的点z 可能需要不同的n0，即n0 = n0("; z)．这样就存在一种可能性，当z 沿某一趋势变化时，比如z ! z0 （其中z; z0 2 E）时，所需的n0 越来越大，以至于我们无法找到n0("; z) 的上限，亦即找到一个共同的n0，使得当n > n0 时，js n(z) ¡ f(z)j < " 在E 上一致成立．而一致收敛的定义正是要求存在这样一个共同的n0 = n0(")，它不依赖于z，而只与" 有关．一致收敛的基本判别法是Cauchy 一致收敛原理：定理（Cauchy 一致收敛原理）级数(10) 在E 上一致收敛的充要条件是，8 " > 0，9 n0 2 N，当n > n0 时，8 p 2 N 和z 2 E，均有p Xk=1f n+k(z)¯¯¯¯¯< ": (11)证明必要性．按定义，若级数(10) 一致收敛，则存在函数f(z)，8 " > 0，9 n0 2 N，当n > n0 时，8 p 2 N 和z 2 E，有js n(z) ¡ f(z)j < "=2; js n+p(z) ¡ f(z)j < "=2;x2 复函数项级数7于是，当n > n0 时，8 p 2 N 和z 2 E，有p Xk=1f n+k(z)¯¯¯¯¯= js n+p(z) ¡ s n(z)j = j[s n+p(z) ¡ f(z)] ¡[s n(z) ¡ f(z)]j· js n+p(z) ¡ f(z)j + js n(z) ¡ f(z)j < ":充分性．按已知条件，级数(10) 在E 上收敛，故在每点有和，记和函数为f(z)，即lim n!1 s n(z) =f(z)．又按已知条件，8 " > 0，9 n0 2 N，当n > n0 时，8 p 2 N 和z 2 E，式(11) 成立，将它改写为js n(z) ¡ s n+p(z)j < ";令p ! 1，得到js n(z) ¡ f(z)j · ";由于该式在E 上一致成立，故原级数一致收敛．证毕．例1 级数1X k=1(¡)k¡1在x 2 (¡1;+1) 上一致收敛．事实上，当p = 2q，q 2 N，有n+2q X k=n+1(¡)k¡1k + x2¯¯¯¯¯1(n + 1) + x2 ¡· 1(n + 2) + x2 ¡1(n + 3) + x2 ¸¡ ¢ ¢ ¢¡· 1(n + 2q ¡2) + x2 ¡1(n + 2q ¡1) + x2 ¸¡1(n + 2q) + x21(n + 1) + x2 <1n当p = 2q ¡1，q 2 N，有（第三行·号中的等号当q = 1，亦即p = 1 时成立）n+2q¡1 X k=n+1(¡)k¡1k + x2¯¯¯¯¯1(n + 1) + x2 ¡· 1(n + 2) + x2 ¡1(n + 3) + x2 ¸¡ ¢ ¢ ¢¡· 1(n + 2q ¡2) + x2 ¡1(n + 2q ¡1) + x2 ¸1(n + 1) + x2 <1n因此，只要取n0 > 1="，则当n > n0 时，n+p X k=n+1(¡)k¡1k + x2¯¯¯¯¯对一切x 2 (¡1;+1) 和p 2 N 成立．但对于任何x 2 (¡1;+1)，该级数不能绝对收敛．事实上，1X k=1¯¯¯¯k + x2¯¯¯¯ =1X k=11k + x2 ;而右边的正项级数发散，这是因为正项级数P1k=1 1=k 发散，而limk!11=(k + x2)1=k= limk!1kk + x2 = limk!111 + x2=k= 1:x2 复函数项级数8例2 级数P1k =1 z k 当jzj < 1 时绝对收敛，因为正项级数P1k=1 jzj k 当jzj < 1 时收敛．但该级数在单位圆jzj < 1 上不能一致收敛，事实上，易得和函数f(z) 与部分和s n(z) 为f(z) = z1 ¡ z; s n(z) = z(1 ¡ z n)1 ¡ z故js n(z) ¡ f(z)j =¯¯¯¯z n+11 ¡ z¯¯¯¯ = jzj n+1j1 ¡ zj只要取n0 = ·ln("j1 ¡ zj)ln jzj ¸;则当n > n0 时，有js n(z) ¡ f(z)j < ":然而，上述n0 不仅依赖于"，而且依赖于z，当jzj ! 1 时，n0 会越来越大，以至于无法找到一个共同的n0，使上式在jzj < 1 上一致成立，因此原级数不能一致收敛．由以上二例可以看到，一致收敛与绝对收敛之间没有因果关系．下面给出的一致收敛的Weierstrass 判别法是一个充分条件，它是一个非常有用的判别法，但象上面的例1 是无法用它来判断的．下面给出一个一致收敛的充分条件，它是一个常用的判别法．定理（Weierstrass M{判别法）如果存在正数列fM k g1k=1，使得jf k(z)j · M k; 8 z 2 E; k 2 N;且正项级数P1k=1M k 收敛，则级数(10) 在E 上绝对收敛且一致收敛．证明由正项级数P1k=1M k 收敛和比较判别法，级数P1k =1 jf k(z)j 在E 上收敛，亦即级数(10) 在E 上绝对收敛．又正项级数P1k=1M k 收敛意味着8 " > 0，9 n0 2 N，当n > n0 时，8 p 2 N，有p Xk=1M n+k < ":由已知条件，¯¯¯¯¯p X k1 f n+k(z)¯¯¯¯¯·p Xk=1jf n+k(z)j ·p Xk=1M n+k < "在E 上一致成立，由Cauchy 一致收敛原理，级数(10) 在E 上一致收敛．证毕．例3 级数P1k =1 z k 在闭圆jzj · r < 1 上绝对收敛且一致收敛．事实上，存在正项级数P1k =1 r k 满足上述定理的要求．但该级数在单位圆jzj < 1 上不能一致收敛，参看上面的例2．例4 级数P1k=1 e i kµ=k s 当s > 1 时在0 · µ < 2¼ 上绝对收敛且一致收敛．事实上，存在正项级数P1k=1 1=k s 满足上述定理的要求．等价地说，级数P1k=1 z k=k s 当s > 1 时在单位圆周jzj = 1 上绝对收敛且一致收敛．x2 复函数项级数9例5 由上节例2 已经知道，级数P1k=1 e i kµ=k s 当0 < s ·1 且µ 6= 0 时条件收敛．下面进一步证明，它在± · µ ·2¼ ¡ ±上一致收敛，其中0 < ± < ¼．事实上，当µ 6= 0 时，由式(9)，n+m X k=n+1e i kµ¯¯¯¯¯m X k=1e i kµ¯¯¯¯¯·1sin(µ=2);当± · µ ·2¼ ¡ ±时，±=2 · µ=2 · ¼ ¡ ±=2，从而sin(±=2) ·sin(µ=2) ·1，故n+m X k=n+1e i kµ¯¯¯¯¯·1sin(±=2):由于数列f1=k s g1k=1 单调减少且恒正，故由式(8b) 可得n+p X k=n+1e i kµk s¯¯¯¯¯·1sin(±=2)1(n + 1)s <1n s sin(±=2):只要取n0 > 1=[" sin(±=2)]1=s，则当n > n0 时，8 p 2 N，n+p X k=n+1e i kµk s¯¯¯¯¯在± · µ ·2¼ ¡ ±上一致成立，由Cauchy 一致收敛原理，原级数在± · µ ·2¼ ¡ ±上一致收敛．注意本题无法用Weierstrass M{判别法来判断．一致收敛的重要性体现在下面的定理上．定理（和函数连续）若级数(10) 的各项均在点集E 上连续，且级数在E 上一致收敛于函数f(z)，则f(z) 亦在E 上连续．证明已知级数在E 上一致收敛于函数f(z)，故8 " > 0，9 n 2 N，使js n(z) ¡ f(z)j < "=3在E 上一致成立．另一方面，由于级数的各项均在点集E 上连续，故s n(z) 亦在点集E 上连续，于是，8 " > 0，9 ± > 0，使得当jz ¡ z0j < ±时，有js n(z) ¡ s n(z0)j < "=3:于是，当jz ¡ z0j < ±时，jf(z) ¡ f(z0)j = jf(z) ¡ s n(z) + s n(z) ¡ s n(z0) + s n(z0) ¡ f(z0)j· jf(z) ¡ s n(z)j + js n(z) ¡ s n(z0)j + js n(z0) ¡ f(z0)j< "=3 + "=3 + "=3 = ";亦即和函数在E 上连续．证毕．x2 复函数项级数10例6 考虑级数(10)，其中f1(z) = z，f k(z) = z k ¡z k¡1（k = 2; 3; ¢ ¢ ¢），显然s n(z) =z n，故级数在单位圆jzj < 1 和点z = 1 处收敛，特别地，它在z = x 2 [0; 1] 上收敛，在该区间上，其和函数为f(x) = ( 0; 0 · x < 1;1; x = 1:显然和函数在x = 1 处不连续，这是由于级数在z = x 2 [0; 1] 上不能一致收敛．事实上js n(x) ¡ f(x)j = ( x n; 0 · x < 1;0; x = 1:为使n > n0 时，js n(x) ¡ f(x)j < "，需取n0 ¸ln "= ln x，当x ! 1，n0 越来越大，因此无法找到共同的n0，使js n(x) ¡ f(x)j < " 一致成立．由上例可以看出，尽管级数的各项都具有良好的解析性质，并且级数在点集E 上处处收敛，但其和函数仍然可能在E 上不连续，由此可见一致收敛的重要性．和函数在点z0 2 E 连续就是lim z!z0 f(z) = f(z0)，也就是limz!z01 X k=1f k(z) =1 X k=1f k(z0) =1 X k=1limz!z0f k(z):所以，可以等价地说，取极限与求和可以交换次序，其前提是级数要一致收敛．定理（逐项积分）若级数(10) 的各项均在曲线C 上连续，且级数在C 上一致收敛于函数f(z)，则可以沿C 逐项积分，即Z Cf(z) d z =1 X k=1 Z Cf k(z) d z: (12)证明记曲线C 的长度为L．已知级数在C 上一致收敛于函数f(z)，故8 " > 0，9 n0 2 N，当n > n0 时，js n(z) ¡ f(z)j < "=L在C 上一致成立，于是，当n > n0 时，n X k=1 Z Cf k(z) d z ¡Z Cf(z) d z¯¯¯¯¯=¯¯¯¯Z C[s n(z) ¡ f(z)] d z¯¯¯¯·Z C js n(z) ¡ f(z)j j d zj <L Z C j d zj = ":证毕．式(12) 可以写作1 X k=1 Z Cf k(z) d z = Z C1 X k=1f k(z) d z: (120)亦即积分与求和可以交换次序，其前提是级数要一致收敛．很容易想到的一个问题是，什么情况下求导与求和可以交换次序？当然，只有在级数各项均可导、或者说各项均解析的条件下，这一问题才有意义．所以这是一个关于解析函数项级数的问题，下一小节就会给出答案．x2 复函数项级数11三解析函数项级数若级数(10) 的各项均为解析函数，就称为解析函数项级数．关于解析函数项级数，有下面的重要定理．定理（Weierstrass）若级数(10) 的各项均在区域D 内解析，且级数在D 内的任一有界闭集上一致收敛（称为在D 上内闭一致收敛）于函数f(z)，则(1) 和函数f(z) 在D 内解析；(2) 级数P1k=1 f(p)k (z) 在D 上内闭一致收敛到f(p)(z)，其中p 2 N．注1°这是一个非常重要的定理，它是级数理论的基石，所以复变函数论中的级数理论也称为Weierstrass 级数理论．2°这个定理是微积分中所没有的．在微积分中，要求级数P1k=1 f k(x) 在区间[a; b] 上收敛，各项都具有连续导数，且P1k=1 f0k (x) 在[a; b] 上一致收敛，才能逐项求导一次，并且不能保证可以进一步逐项求导．而这里只要求原级数一致收敛，且各项解析，那么就可以不断地逐项求导，且求导后的级数也一致收敛到和函数的同阶导数．3°总的来说，这一结果很容易理解，但需注意其前提仍然是级数要一致收敛．4°这里要求级数在D 上内闭一致收敛，这比要求级数在D 内一致收敛要弱．比如级数P1k=1 z k虽然在单位圆jzj < 1 上不能一致收敛，但内闭一致收敛（因为它在闭圆jzj · r < 1 上一致收敛，参看上面的例3），所以其和函数f(z) 在单位圆jzj < 1 内解析，且可以逐项求导．我们知道，其和函数是z=(1 ¡ z)，它确实在单位圆jzj < 1 内解析．为了证明这一定理，需要引用Morera 定理，后者是Cauchy 积分定理的逆定理．这一定理本来应该放在第二章介绍，但因为是选读内容，而且以后也不需要用到，所以放在此处，作为证明Weierstrass定理的预备．定理（Morera）设函数f(z) 在单通区域D 内连续，且对D 内任一围线C，满足R C f(z) d z = 0，则f(z) 在D 内解析．证明取固定点z0 2 D，由于对D 内任一围线C 有R C f(z) d z = 0，故积分R zz0f(³) d³（其中z 2 D）只与上限z 有关，而与z0 到z 的路径无关．定义F(z) = R zz0f(³) d³，它是z 的单值函数．我们在第二章已经证明，只要f(z) 在D 内连续，就有F0(z) = f(z)，亦即F(z) 解析．由于解析函数的导数也是解析函数，故f(z) 在D 内解析．证毕．下面就给出Weierstrass 定理的证明(1) 8 z 2 D，总可以找到邻域N(z; r) ½ D，按已知条件，级数(10) 在N(z; r) 内的任一围线C 上一致收敛，故Z Cf(z) d z =1X k=1 Z Cf k(z) d z = 0;其中最后一个等号用了Cauchy 积分定理，因为级数各项在N(z; r) 内解析，而N(z; r) 为单通区域．由上式和Morera 定理，易知f(z) 在N(z; r) 内解析，特别地，f(z) 在点z 解析，由z 的任意性，可知f(z) 在D 内解析．(2) 8 z0 2 D，总可以找到邻域N(z0; 2r)，使得N(z0; 2r) ½ D，按已知条件，级数(10) 在N(z0; 2r) 上一致收敛，故8 " > 0，9 n0 2 N，当n > n0 时，n X k=1f k(³) ¡ f(³)¯¯¯¯¯x2 复函数项级数12在圆周C：j³ ¡ z0j = 2r 上一致成立．今8 z 2 N(z0; r)，³ 2 C，有j³ ¡ z0j = 2r，jz ¡ z0j < r，故j³ ¡ zj = j(³ ¡ z0) ¡(z ¡ z0)j ¸ j³ ¡ z0j ¡ jz ¡ z0j > 2r ¡ r = r;故¯¯¯¯¯n X k=1f k(³)(³ ¡ z)p+1 ¡f(³)(³ ¡ z)p+1¯¯¯¯¯= j P nk=1 f k(³) ¡ f(³)jj³ ¡ zj p+1 <r p+1 ; p 2 N;对³ 2 C 和z 2 N(z0; r) 一致成立．由于f(z) 和f k(z) 均在N(z0; 2r) 上解析，由Cauchy 高阶导数公式，当z 2 N(z0; 2r)，有f(p)k (z) = p!2¼i Z Cf k(³)(³ ¡ z)p+1 d³; f(p)(z) = p!2¼i Z Cf(³)(³ ¡ z)p+1 d³:当z 2 N(z0; r)，上式当然也成立，于是当n > n0 时，有n X k=1f(p)k (z) ¡ f(p)(z)¯¯¯¯¯= p!2¼¯¯¯¯¯n X k=1 Z Cf k(³)(³ ¡ z)p+1 d³ ¡Z Cf(³)(³ ¡ z)p+1 d³¯¯¯¯¯·p!2¼ Z C¯¯¯¯¯n X k=1f k(³)(³ ¡ z)p+1 ¡f(³)(³ ¡ z)p+1¯¯¯¯¯j d³jp!2¼r p+1 Z C j d³j = p!2¼r p+1 4¼r =2p!r p ":上式在z 2 N(z0; r) 时一致成立，换句话说，级数P1k=1 f(p)k (z) 在N(z0; r) 上一致收敛到f(p)(z)，而z0 2 D 是任意的，所以对D 内任一闭集G 上的任一点，都存在该点的一个邻域，使P1k=1 f(p)k (z)在该邻域上一致收敛到f(p)(z)．这些邻域构成了闭集G 的一个开覆盖（就是说这些邻域（开集）覆盖了闭集G），我们总可以从中选出有限个覆盖闭集G（这里用到了一个定理，称为有限覆盖定理，又称Heine{Borel 定理，不过，这一结论是比较直观的），由于P1k=1 f(p)k (z) 在其中的每一个上都一致收敛到f(p)(z)，故在闭集G 上亦然．证毕．四*Riemann ³函数、Riemann 假设与千禧数学难题下面用Weierstrass 定理来研究一个实例．例7 研究级数P1k=1 1=k z = P1k=1 e¡z ln k．显然，该级数的每一项都是复平面上的解析函数．只要找到级数的收敛区域，应用Weierstrass 定理，其和函数的解析性也就清楚了．从级数的形式来看，我们猜想级数的敛散性主要取决于z 的实部．又已经知道，当z = x > 1 时级数收敛，而z = x ·1 时级数发散，所以估计级数的收敛区域应该是Re z > 1．首先证明，如果级数在z0 收敛，则当Re z > Re z0 时亦收敛．事实上，由于级数在z0 收敛，故9 M > 0，使得8 n 2 N，均有js n(z0)j < M．显然e¡z ln k = e¡(z¡z0) ln k e¡z0 ln k = e¡(z¡z0) ln k[s k(z0) ¡ s k¡1(z0)]; k 2 N;其中s0(z0) ´0，故有n+p X k=n+1e¡z ln k = e¡(z¡z0) ln(n+p)s n+p(z0) ¡e¡(z¡z0) ln(n+1)s n(z0)n+p¡1 X k=n+1(z ¡ z0)s k(z0) Z k+1ke¡(z¡z0) ln ttd t;x2 复函数项级数13于是n+p X k=n+1e¡z ln k¯¯¯¯¯· M[e¡(x¡x0) ln(n+p) + e¡(x¡x0) ln(n+1)] +Mjz ¡ z0jn+p¡1 X k=n+1 Z k+1ke¡(x¡x0) ln ttd t< 2M e¡(x¡x0) ln n +Mjz ¡ z0jn+p¡1 X k=n+1 Z k+1ke¡(x¡x0) ln ttd t;其中x = Re z，x0 = Re z0．但n+p¡1 X k=n+1 Z k+1ke¡(x¡x0) ln ttd t = Z n+pn+1e¡(x¡x0) ln ttd te¡(x¡x0) ln(n+1) ¡e¡(x¡x0) ln(n+p)x ¡ x0e¡(x¡x0) ln nx ¡ x0于是¯¯¯¯¯n+p X k=n+1e¡z ln k¯¯¯¯¯< M µjz ¡ z0jx ¡ x0+ 2¶e¡(x¡x0) ln n = M µjz ¡ z0jx ¡ x0+ 2¶ 1n x¡x0由于x > x0，容易看出，只要n 充分大，上式就可以任意小．事实上，8 " > 0，只要取n0 > ·M" µjz ¡ z0jx ¡ x0+ 2¶¸1=(x¡x0)则当n > n0 时，就有¯¯¯¯¯n+p X k=n+1e¡z ln k¯¯¯¯¯< "; 8 p 2 N;由Cauchy 收敛原理，级数当Re z > Re z0 时收敛．但注意以上的n0 不仅依赖于"，而且也依赖于z．我们已经知道，当z = 1 时级数发散，由上述结论容易推知，级数当Re z < 1 时必然发散．另一方面，我们也知道，当s > 1 时，正项级数P1k=1 1=k s 收敛，而当Re z ¸ s 时，有j1=k z j =1=k x ·1=k s，由Weierstrass M{判别法，级数当Re z ¸ s 时绝对且一致收敛．由此容易推知，级数在区域Re z > 1 内的任一有界闭集上一致收敛，亦即在区域Re z > 1 上内闭一致收敛，由Weierstrass定理，和函数在区域Re z > 1 内解析，并且逐项求导后的级数也在区域Re z > 1 上内闭一致收敛到和函数的同阶导数．但是用上面的方法无法判断级数在z = 1 + i y 而y 6= 0 时的敛散性．由上面的级数定义的函数可以解析开拓到整个复平面上，所得的函数称为Riemann ³函数，记作³(z)，z = 1 是它的唯一一个奇点，z = ¡2n（n 2 N）是它的简单零点（即一阶零点），其它的零点都位于带形区域0 ·Re z ·1 内．Riemann 假设（Riemann's hypothesis）：³(z) 在带形区域0 ·Re z ·1 内的所有零点都位于直线Re z = 1=2 上．已经知道有一个不可数的零点集合位于该直线上．但Riemann 假设的严格证明目前尚未完成．1900 年，著名的数学家D. Hilbert 在巴黎的世界数学家大会上提出了23 个数学问题，认为对这些问题的研究会极大地影响二十世纪数学的发展，Riemann 假设就是这些问题之一．这些问题有的很快就得到解决，有的则直到目前尚未解决，Riemann 假设就是尚未解决的问题之一．关于Hilbert 问题，参看/~djoyce/hilbert/．x3 幂级数142000 年，美国的Clay 数学研究所在尚未解决的著名数学问题中选出七大难题，并设立了每题100万美元的奖金，Riemann 假设就在其中，参看/Millennium Prize Problems/．x3 幂级数一幂级数的敛散性形如1 X n=0c n(z ¡ a)n (a 2 C; c n 2 C) (13)的级数称为幂级数．注从本节开始，我们改用n 来表示求和指标．并请注意现在求和多了n = 0 一项，不过这对于级数的性质没有什么影响．显然，级数(13) 的每一项都是解析函数，事实上，幂级数是最简单的解析函数项级数．根据Weierstrass 定理，只要把级数的收敛区域研究清楚，那么和函数的解析性质也就清楚了．关于这一级数的敛散性，Abel 给出了下述的重要定理．定理（Abel）如果级数(13) 在某点z0 6= a 收敛，则(1) 它在圆K：jz ¡ aj < jz0 ¡ aj 内绝对收敛；(2) 它在闭圆K½：jz ¡aj · ½ < jz0 ¡aj 内一致收敛（即在圆K 上内闭一致收敛）．证明(1) 由已知条件，级数P1 n=0 c n(z0 ¡ a)n 收敛，故9 M > 0，使得jc n(z0 ¡ a)n j < M; n = 0; 1; 2; ¢ ¢ ¢ ;于是jc n(z ¡ a)n j = jc n(z0 ¡ a)n j¯¯¯¯z ¡ az0 ¡ a¯¯¯¯n< M¯¯¯¯z ¡ az0 ¡ a¯¯¯¯n当jz ¡ aj < jz0 ¡ aj，以右边为通项的级数收敛，由比较判别法，以左边为通项的级数亦收敛，即原级数在圆K 上绝对收敛．(2) 当jz ¡ aj · ½ < jz0 ¡ aj，jc n(z ¡ a)n j < M¯¯¯¯z ¡ az0 ¡ a¯¯¯¯n· M µ½jz0 ¡ aj¶n右边是与z 无关的正数，且以此为通项的级数显然收敛，由Weierstrass M{判别法，原级数在闭圆K½ 上一致收敛．证毕．由Abel 定理，立得以下推论1 如果级数(13) 在某点z0 6= a 发散，则它必在圆周jz ¡ aj = jz0 ¡ aj 外发散．由Abel 定理和推论1 可知，级数(13) 在某点z 收敛或发散只与该点到a 的距离有关，而与该点相对于a 的方向无关（即只与z ¡ a 的模有关，而与其辐角无关），因此收敛点集与发散点集的分界必定是一个圆周，这就是下面的x3 幂级数15推论2 对于级数(13)，9 R ¸0，使它在圆周jz ¡aj = R 内绝对收敛而在其外处处发散．上面的R 称为收敛半径，jz ¡ aj < R 称为收敛圆，而jz ¡ aj = R 称为收敛圆周．应当指出，对于级数(13) 在收敛圆周jz ¡ aj = R 上的敛散性，Abel 定理及其推论没有给出结论．二收敛半径的求法上一小节的推论2 可以换一种等价的方式来表达：级数P1 n=0 jc n jr n 当0 · r < R 时收敛，而当r > R 时发散．也就是说，R 是该正项级数的收敛区间与发散区间的分界点．由正项级数收敛的Cauchy 判别法和d' Alembert 判别法，不难推出下面收敛半径的计算公式．定理（收敛半径的Cauchy 计算公式）如果lim n!1n p jc n j = l，则级数(13) 的收敛半径为R =8>><>>:1=l; 当0 < l < 1;1; 当l = 0.(14)实际上，即使lim n!1n p jc n j 不存在，只要lim n!1n p jc n j = l，式(14) 仍然成立（相应的判别法也称为Cauchy{Hadamard 判别法）．这里lim 表示上极限．一个实数列的上极限就是它的所有收敛子列的极限中最大的一个（虽然这不是上极限的原始定义）．例1 级数P1n=0[2 + (¡)n]n z n，n p jc n j = 2 + (¡)n，显然lim n!1n p jc n j 不存在，但考虑子列fc2k g1k=0，易得lim n!1n p jc n j = 3．因此，该级数的收敛半径为R = 1=3，即收敛圆为jzj < 1=3．例2 级数P1k=0 z k2 = 1+z +z4 +z9 +z16 +¢ ¢ ¢，当n = k2 （k = 0; 1; 2; ¢ ¢ ¢），c n = 1，其它情况下c n = 0，显然lim n!1n p jc n j 不存在，但考虑子列fc k2g1k=0，易得lim n!1n p jc n j = 1．因此，该级数的收敛半径为R = 1，即收敛圆为jzj < 1．定理（收敛半径的d' Alembert 计算公式）如果lim n!1 jc n+1=c n j = l，则级数(13) 的收敛半径由式(14) 给出．如果极限lim n!1 jc n+1=c n j 不存在，则无法使用d' Alembert 计算公式，所以它不如Cauchy{ Hadamard 计算公式来得普遍，甚至也不如Cauchy 计算公式．但是，当极限lim n!1 jc n+1=c n j 存在时，d' Alembert 计算公式通常是比较方便的．例3 考虑级数P1n=2 c n z n，其中c2k = 2k ，c2k+1 = k （k 2 N）．易得lim k!1 jc2k+1=c2k j =1=2，而lim k!1 jc2k+2=c2k+1j = 2，即lim n!1 jc n+1=c n j = 2，lim n!1 jc n+1=c n j = 1=2．根据d' Alem- bert 判别法，易知当jzj < 1=(lim n!1 jc n+1=c n j) = 1=2 时级数收敛，而当jzj > 1=(lim n!1jc n+1=c n j) =2 时级数发散，但是对于1=2 < jzj < 2 时级数的敛散性，我们无法由d' Alembert 判别法得到进一步的信息．另一方面，不难求得lim n!1n p jc n j = 1，故由Cauchy 计算公式立得该级数的收敛半径为R = 1，即收敛圆为jzj < 1．可见Cauchy 计算公式更普遍一些．三和函数的解析性知道了幂级数的收敛范围，由前面的有关定理，就可以得到以下结论：x4 解析函数的Taylor 展开16定理幂级数(13) 在收敛圆K：jz ¡ aj < R 上有如下性质：(1) 和函数f(z) 解析；(2) 可以逐项求导而收敛半径不变；(3) 可以逐项积分而收敛半径不变．证明考虑闭圆K½：jz ¡ aj · ½ < R，总可找到一点z0，使得½ < jz0 ¡ aj < R．如此，z0 在收敛圆内，故级数(13) 在z0 收敛，由Abel 定理，它必在K½ 上一致收敛．也就是说，它在收。

幂级数经典课件

收敛域的性质：收敛域是一个开区间且包含原点
收敛域的应用：在函数分析、微积分等领域有广泛应用
幂级数的收敛域的性质
收敛半径：幂级数在收敛域内收敛
收敛域：幂级数在收敛域内收敛且收敛半径为R
收敛半径的性质：收敛半径R是幂级数收敛域的半径
收敛域的性质：收敛域是幂级数收敛的区间且收敛半径为R
幂级数的性质
收敛性：幂级数是否收敛取决于其收敛半径
解析性：幂级数在其收敛半径内解析
幂级数的和：幂级数的和等于其收敛半径内的解析函数
幂级数的展开：幂级数可以展开为泰勒级数或其他幂级数形式
幂级数的收敛性
收敛性定义：幂级数在收敛区间内其部分和数列的极限存在收敛性判别：使用比值判别法、根判别法、积分判别法等收敛性应用：在函数逼近、数值分析、微分方程求解等领域有广泛应用收敛性研究：幂级数的收敛性是数学分析中的重要课题有许多研究成果和理论
幂级数的求和的定义与性质
幂级数的求和：将无穷多个幂级数项相加得到新的幂级数
求和的定义：求和是指将无穷多个幂级数项相加得到新
的幂级数
求和的性质：求和后的幂级数具有与原幂级数相同的收敛半径和收敛
域
求和的应用：求和在解决数学问题、物理问题等方面有
广泛应用
幂级数的求积的定义与性质
幂级数在解决初等数学问题中的应用
幂级数在微积分中的应用
幂级数在函数逼近中的应用
幂级数在数值分析中的应用
幂级数在概率论中的应用
幂级数的展开式的定义
幂级数：由无穷多个项组成的函数展开式：将幂级数表示为无穷多个项的和展开式形式：_0 + _1x + _2x^2 + ... 展开式的应用：在数学、物理、工程等领域广泛应用

高等数学第五节函数幂级数展开-PPT文档资料

即
f ( 0 ) 2 S (x )f( 0 )f ( 0 )x x n 1 2 ! ) f(n ( 0 ) n x. n !
那么，级数 ③ 收敛于函数 f(x) 的条件为
lim S ( x ) f ( x ) . n 1
n
注意到麦克劳林公式 ② 与麦克劳林级数 ③ 的关为泰勒公式 .
如果令 x 0 , 就得到 0
f (0 ) 2 f (n)(0 ) n f (x ) f (0 ) f (0 )x x x 2 ! n ! r ). n(x ②
( n 1 ) f ( x )n 1 r ( x ) x ( 0 θ 1 ) . n ( n 1 )!
( 0 ) 1 , , ( 0 ) 0 ,f f( 0 )0, f( 0 ) 1 , f
n 1 ) n ( 0 ) ( 1 ) . f(2n)( 0 )0, f(2
于是可以得到幂级数
2 n 1 1 3 15 x n x x x ( 1 ) , 3 ! 5 ! ( 2 n 1 )!
称为泰勒级数 .
二、直接展开法
利用麦克劳林公式将函数 f(x 展开成幂级数
的方法，称为直接展开法 .
例1 试将函数 f(x) = ex 展开成 x 的幂级数.
( n ) x 解由 f ( x ) e( n 1 , 2 , 3 , ) , 可以
得到
( n ) f ( 0 ) f ( 0 ) f ( 0 ) f ( 0 ) 1 .
( θ x ) e n 1 r ( x ) x ( 0 θ 1 ) , n ( n 1 )!
且 x≤
x θx x x , 所以 e e , 因而有

高中数学(人教版)函数展开成幂级数解析精品优选公开课件

(k 0, 1, 2,)
得级数:
x

1 3!
x3
1 5!
x5

(1)k
1 ( 2k 1)!
x2k1

其收敛半径为 R ,对任何有限数 x , 其余项满足
Rn (x)
sin(

(n

1)
π 2
)
(n 1)!
xn1 x n1 (n 1)!
n
0

sin x
故得级数 1 x 1 x2 1 x3 1 xn
2! 3!
n!
其收敛半径为 R lim 1
1
n n! (n 1)!
对任何有限数 x , 其余项满足
Rn (x)
e
(n 1)!
x n 1
ex
x n1 (n 1)!
n
0
( 在0与x 之间)
故
近似计算理论研究
f (x) a0 a1x x0 a2 x x0 2 an (x x0 )n (x I )
f (x)在什么条件下能展开为幂级数; f (x) 的展开式在什么范围内成立; f (x) 的展开式是否唯一; f (x) 的展开式如何确定.
引言
展开 ? 和函数 S(x)
例 ex 1 x x2 xn ( x R)意义 2! n!
研究问题
近似计算理论研究
f (x) a0 a1x x0 a2 x x0 2 an (x x0 )n (x I )
f (x)在什么条件下能展开为幂级数; f (x) 的展开式在什么范围内成立; f (x) 的展开式是否唯一; f (x) 的展开式如何确定.

数学物理方法课件解析函数的幂级数展开

幂级数展开求解积分方程
幂级数展开求解积分方程的步骤
首先将积分方程中的未知函数进行幂级数展开，然后代入积分方程中求解系数，最后得到积分方程的解。
举例
求解∫(上限1下限0) (x^2+y^2)^(-3/2) * y dx = 1。将y(x)进行幂级数展开，得到
y(x)=∑(n=0,∞) a_n * x^(n+1)，然后代入积分方程中求解系数a_n，得到解。
THANKS
感谢观看
幂级数展开的收敛半径
幂级数展开的收敛半径是指函数在一定区间内可以展开成幂级数的范围。
收敛半径的大小取决于各项系数的变化规律，可以通过比较相邻项系数的方法来确定收敛半径。
幂级数展开的收敛区间
幂级数展开的收敛区间是指函数可以精确展开成幂级数的区间，通常是一个闭区间或者半开半闭区间。
在收敛区间内，幂级数展开可以无限逼近原函数，但在收敛区间的外延，误差会逐渐增大。
数学物理方法课件解析函数的幂级数展开
• 幂级数展开的概述 • 幂级数展开的原理 • 幂级数展开的应用 • 幂级数展开的实例解析
01
幂级数展开的概述
幂级数展开的定义
幂级数展开是指将一个函数表示为无穷级数的方式，其中每一项都是该函数的幂次与系数的乘积。
幂级数展开的一般形式为：$f(x) = a_0 + a_1x + a_2x^2 + cdots + a_nx^n + cdots$，其中 $a_0, a_1, ldots, a_n$ 是常数，$x$ 是自变量。
幂级数展开求解微分方程
幂级数展开求解微分方程的步骤
首先将微分方程中的未知函数进行幂级数展开，然后代入微分方程中求解系数，最后得到微分方程的解。

幂级数ppt

定理 1 (Abel 定理)
（1）如果级数 an x n 在 x x0 ( x0 0)处收敛,则
n0
它在满足不等式 x x0 的一切 x处绝对收敛;
（2）如果级数 an x n 在 x x0处发散,则它在满
n0
足不等式 x x0 的一切 x处发散.
几何说明
收敛区域
o
• • •• • • ••• • •
发散区域 R
R 发散区域 x
推论
如果幂级数 an x n 不是仅在x 0 一点收敛,也
n0
不是在整个数轴上都收敛,则必有一个完全确定
的正数 R 存在,它具有下列性质: 当 x R时,幂级数绝对收敛; 当 x R时,幂级数发散; 当 x R与x R时,幂级数可能收敛也可能发散.
15
收敛半径为R 1 ，收敛区间为（1，2）.
2
当x 2时，原级数化为收敛的交错级数
(1)n
;
x 1时，原级数化为
1 ,发散.
n0 2n 1
n0 2n 1
因此原级数的收敛域为（1，2 ].
三、幂级数的运算
1、代数运算性质
设 an xn和 bn xn的收敛半径各为R1和R2 ,
n0
n0
证明对级数 an xn 应用达朗贝尔判别法
n0
lim
n
an1 an
x n1 xn
lim an1 n an
x
x,
17
（1）由比值审敛法, 当 | x | 1 时,
级数| an xn | 收敛, 从而级数 an xn绝对收敛.
n0
n0
当 | x | 1 时,
级数 | an xn | 发散,
n0

《高等数学Ⅱ》课件-第7章幂级数的展开式及其应用

（3）求出 x S(t)dt 的幂级数形式，并求其收敛域. 0
解：（1）显然该幂级数的收敛域为 ( 1,1] ；
（2）S'(x)
n1
(1)n1 n
xn
n1
(1)n1 n
xn
(1)n1 xn1, 收敛域为（ 1，1）；
n1
（3）
x
S(t)dt
0
x 0 n1
bn1 2 bn
an 2 an1
32
5
2
5
3
©
三、幂级数的性质
1. 代数运算性质
设 an xn和 bn xn 的收敛半径各为R1和R2 ,
n0
n0
R minR1, R2
(1) 加减法
an xn bn xn
n0
n0
x (R, R)
©
(2) 乘法（类似于多形式的乘法）
令余项则在收敛域上有
例如, 等比级数它的收敛域是
有和函数
它的发散域是 ( , 1 ] 及 [1，）, 或写作 x 1.
又如, 级数
所以级数的收敛域仅为
级数发散 ;
幂级数
s( x) u1( x) u2( x) un( x) 定义域
s(x) 的定义域就是级数的收敛域.
(函余数项,1)项一rn级般((1x数,考)的虑)s部函,(但x分数)只和1有s1ns(在nxx(时)xD),,它ln(i的m1定,s1n)义上( x域,)它是才s(是x)
x
S(t) dt
0
an
n0
x 0
tn
dt
an n0n 1
x n 1 ,
x (R, R )

chenpc文件数理方法第三章幂级数展开精品文档PPT课件

= 2 1 iC R 1 ' f b 1 z 1 b bd 2 1 iC R 2 ' fz b 1 z 1 b bd
CR1' CR2'
::zzbb= bb 2 1 iC R 1 ' f b k 0 z b b k d 2 1 iC R 2 ' f z b k 0 z b b k d
= k 0 2 1 i C R 1 'f b k 1 d z b k k 0 2 1 i C R 2 ' f b k d z b k 1
1、达朗贝尔判别法：
k充分大时， w w kk 1q 1 k 1w kz绝对收敛
证明：k N N p 1 w kz= k N N p 1 w 1zq k 1 w 1zq N 1 q q N p N
wkz收敛 k1
wkz绝对收敛 k1
k = N + 1 k = N + 1
1
1
z 1时，zk收敛 k=1
z 1时， zk绝对收敛 k=1
二、绝对收敛性的判别法：
wk z 收敛
k=1
wk z绝对收敛
k=1
Np
Np
wkz wkz
k=N+1
k=N+1
w kz收敛 w kz绝对收敛
k = 1
k = 1
二、绝对收敛性的判别法：
第三章幂级数展开
§3.1 幂级数的收敛性
一、基本概念：
N :任意大正整数
不存在发散
n
p :任意正整数：任意小正数
wk
k1
z
lni m k1wk
z
存
在

高考数学知识点精讲幂级数的展开与收敛半径

高考数学知识点精讲幂级数的展开与收敛半径高考数学知识点精讲：幂级数的展开与收敛半径在高考数学中，幂级数是一个重要的知识点，其中幂级数的展开与收敛半径更是理解和解决相关问题的关键。

让我们一起来深入探讨这个知识点，帮助同学们在高考中轻松应对相关题型。

首先，我们来了解一下什么是幂级数。

简单来说，幂级数就是形如∑（n=0 到∞） aₙ xⁿ ＝ a₀＋ a₁ x ＋ a₂ x²＋ a₃ x³＋的无穷级数。

其中，aₙ 被称为幂级数的系数，x 是变量。

那么，为什么要研究幂级数的展开呢？这是因为通过将一些复杂的函数展开成幂级数的形式，我们能够更方便地对其进行分析、计算和研究。

接下来，我们看看幂级数的展开方法。

常见的有直接展开法和间接展开法。

直接展开法是根据幂级数的定义，利用泰勒公式将函数在某一点展开成幂级数。

泰勒公式为：f(x) ＝ f(x₀) ＋ f'（x₀)（x x₀) ＋ f'＇（x₀)（x x₀)²／ 2! ＋ f'＇＇（x₀)（x x₀)³／ 3! ＋。

例如，对于函数 f(x) ＝eˣ，我们想在 x ＝ 0 处将其展开成幂级数。

首先求导可得 f'（x) ＝eˣ，f'＇（x) ＝eˣ，f'＇＇（x) ＝eˣ，，所以f(0) ＝ 1，f'（0) ＝ 1，f'＇（0) ＝ 1，，则eˣ ＝ 1 ＋ x ＋ x²／ 2! ＋ x³／ 3! ＋。

间接展开法则是利用已知的幂级数展开式，通过一些运算（如四则运算、变量代换等）得到新的幂级数展开式。

比如，已知 1 ／（1 x) ＝ 1 ＋ x ＋ x²＋ x³＋（｜x| ＜ 1），那么通过将 x 替换为 x²，可以得到 1 ／（1 ＋ x²) ＝ 1 x²＋ x⁴ x⁶＋（｜x| ＜ 1）。

讲完了幂级数的展开，我们再来重点探讨一下收敛半径。

数学物理方程第三章幂级数展开PPT课件

z
z0
() a 0 a 1 ( z 0 ) a 2 ( z 0 )2
而
1
1
2i z
有界，
利用柯西公式得
2 1 iC ' ( z )d 2 1 iC 'a 0z0 d 2 1 iC 'a 1 ( z z0 )d 2 1 iC 'a 2 ( z z0 )2 d
a 0 a 1 (z z0 ) a 2 (z z0 )2
Np
k (z1) .
N 1
05.12.2020
N(z2)
阜师院数科院
k (z2) k (z1) k (z2)
3.2 幂级数幂函数的复变项级数
1. 定义对于各复常数 z0,a1,a2, ,ak, , 级数
a k ( z z 0 ) k a 0 a 1 ( z z 0 ) a 2 ( z z 0 ) 2 a k ( z z 0 ) k (3.2.1)
故当 z z0 R 当 z z0 R
，(3.2.1) 绝对收敛。，(3.2.1) 可能发散。
R 叫收敛半径，以 z 0 为圆心，R 为半径的圆叫
幂级数的收敛圆
最简单的收敛区域。保证幂级数在圆内的点上绝对收敛，而在圆外可能发散。圆外仍有区域是收敛的。
根值判别法
lk i m k ak zz0 1, (3.2.2) 收敛，(3.2.1) 绝对收敛。
lk i m k ak zz0 1, (3.2.2) 发散，(3.2.1) 发散。
05.12.2020
阜师院数科院
故 R lim 1
a k k k
例 (1) 1tt2 tk
解： ak 1
收敛半径:
R lim ak 1 a k

数学物理方法课件解析函数的幂级数展开

n 0
1 (l 0, l ) l , R 0, (l ) , (l 0)
3.幂级数的解析性
定理：幂级数 cn ( z a ) n的和函数f ( z )是收敛圆内的一个解析
n 0
函数，且其各阶导数为 f
( p)
( z ) cn n(n 1) (n p 1)( z a ) n p
k 0

在圆 z b z1 b 的外部处处发散.
42
幂级数的收敛圆及其收敛半径
由 Abel 定理及其推论易知，幂级数的收敛区域和发散区域是不可能相间的。所以对于幂级数 ak ( z b) ，必定
k k 0 k
存在一以 b 为圆心，R 为半径的圆，在圆内该级数绝对收敛（而且在较小的圆内一致收敛），而在圆外发散。这个圆称为该幂级数的收敛圆，R 称为它的收敛半径。
n
Cn z 称作f ( z )在点的主要部分或无限部分. 而C1
n
1
尤为重要, 称作残数或留数.
定义 : 设为f ( z )的孤立奇点，则 i ) 如果f ( z )在点的主要部分为0，则称为f ( z )的可去奇点. ii) 如果f ( z )在点的主要部分为有限多项，设为 C( m 1) C m C 1 ( z ) m ( z ) ( m 1) z (C m 0)
§3.5 孤立奇点的分类及其性质
若为f ( z )的孤立奇点，则f ( z )在点的某去心邻域K 内可展开成罗朗级数 f ( z)
n n
C z
n

n
其中， Cn z 称作f ( z )在点的正则部分或解析部分.

数学分析14.2函数的幂级数展开

第十四章幂级数 2 函数的幂级数展开一、泰勒级数概念：若函数f 在点x 0的某邻域上存在直至n+1阶的连续导数，则去除泰勒公式的拉格朗日型余项R n (x)=1n 01)(n )x x (1)!(n )ξ(f ++-+后所得级数： n00n 0(n))x -(x n!)(x f ∑∞==f(x 0)+f ’(x 0)(x-x 0)+2!)(x f 0''(x-x 0)2+…+ n!)(x f 0(n)(x-x 0)n +… 称为函数f 在x 0处的泰勒级数.例1：证明：函数f(x)=⎪⎩⎪⎨⎧=≠0x ，00x ，e 2x1- 在x=0处的泰勒级数收敛，但不收敛于函数本身.证：∵在x=0处，f (n)(0)=0, n=1,2,…，∴f 在x=0处的泰勒级数为 0+0·x+2!0·x+…+n!0·x+…，它在(-∞,+∞)上收敛，且其和函数S(x)=0，显见，对于一切x ≠0，f(x)≠S(x)，得证！定理14.11：设f 在点x 0具有任意阶导数，那么f 在区间(x 0-r,x 0+r)上等于它的泰勒级数的和函数的充分条件是：对一切满足不等式|x-x 0|<r 的x ，有∞n lim →R n (x)=0，其中R n (x)是f 在x 0处的泰勒公式余项.注：若f 在点x 0的某邻域上等于其泰勒级数的和函数，则称函数f 在点x 0的这一邻域上可以展开成泰勒级数，并称等式：f(x)=f(x 0)+f ’(x 0)(x-x 0)+2!)(x f 0''(x-x 0)2+…+ n!)(x f 0(n)(x-x 0)n +…右边为f 在x 0处的泰勒展开式，或称幂级数展开式，其具有唯一性. 当x 0=0时，n 0n (n)x n!(0)f ∑∞==f(0)+f ’(0)x+2!(0)f ''x 2+…+ n!(0)f (n)x n +…称为f 的麦克劳林级数.积分型余项：R n (x)=nx 01)(n )t x ((t)f n!1-⎰+dt ；拉格朗日型余项：R n (x)=1n 01)(n )x x (1)!(n )ξ(f ++-+, ξ在0和x 之间；柯西余项：R n (x)=1n n 1)(n x )θ1)(θx (f n!1++-, 0≤θ≤1.二、初等函数的幂级数展开式例2：证明k 次多项式函数f(x)=c 0+c 1x+c 2x 2+…+c k x k 的展开式是它本身. 证：∵f (n)(0)=⎩⎨⎧>≤k n ，0kn ，c !n n ，总有∞n lim →R n (x)=0，∴f(x)=f(0)+f ’(0)x+2!(0)f ''x 2+…+ k!(0)f (k)x k =c 0+c 1x+c 2x 2+…+c k x k ，即多项式函数的幂级数展开式就是它本身.例3：求函数f(x)=e x 的展开式.解：∵f (n)(x)=e x，f (n)(0)=1 (n=1,2,…). ∴R n (x)=1n θxx 1)!(n e ++, 0≤θ≤1. 又对任意实数x ，|R n (x)|≤1n θx x 1)!(n e ++→0 (n →∞)，∴∞n lim →R n (x)=0. ∴e x=1+x+2!1x 2+…+n!1x n+…=∑∞=0n n n!x ，|x|<+∞.例4：求sinx 和cosx 的展开式. 解：∵(sinx)(n)=sin(x+2n π), (n=1,2,…)；又(sin0) (2k)=0, (sin0)(2k-1)=(-1)k+1. ∴|R n (x)|=1)!(n x 2π1)(n ξsin 1n +⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛+++≤1)!(n x 1n ++→0 (n →∞)，∴∞n lim →R n (x)=0.∴sinx=x-3!1x 3 +5!1x 5+…+1)!(2n x (-1)12n n +++…=∑∞=++0n 12n n 1)!(2n x (-1)，|x|<+∞.逐项求导得：cosx=1-2!1x 2+4!1x 4+…+(2n)!x (-1)2n n +…=∑∞=0n 2n n (2n)!x (-1)，|x|<+∞.例5：求下列函数的展开式：(1)f(x)=ln(1+x)；(2)f(x)=lnx 在x=1处. 解：(1)∵f (n)(x)=n1-n x )1(1)!-(n )1(+-，f (n)(0)=(-1)n-1(n-1)!, (n=1,2,…). 对f 的麦克劳林级数x-21x 2 +31x 3 +…+(-1)n-1n1x n +…求收敛半径R=n(-1)1)(n (-1)lim n 1-n ∞n +→=1，又当x=1时，收敛；当x=-1时，发散， ∴该级数的收敛域是(-1,1]. 当0≤x ≤1时，|R n (x)|=1n 1n n x ξ)(11)!(n n!)1(++++- =1n n ξ1x 1n )1(+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-≤1n 1+→0 (n →∞)，当-1<x<0时，|R n (x)|=1n n 1n n x θ)(1θx)(1n!n!)1(++++-=n1n θx 1θ1θx 1x ⎪⎭⎫⎝⎛+-++, 0≤θ≤1.∵0≤θx 1θ1+-≤1, ∴|R n (x)|≤θx1x 1n ++≤x 1x 1n -+→0 (n →∞). ∴∞n lim →R n (x)=0.从而ln(1+x)=x-21x 2 +31x 3 +…+(-1)n-1n 1x n+…=∑∞=1n n 1-n n x (-1), x ∈(-1,1].(2)设1+t=x ，则lnx=ln(1+t), t ∈(-1,1]. ∵ln(1+t) =∑∞=1n n1-n n t (-1), t ∈(-1,1].∴lnx 在x=1处的展开式为：lnx =∑∞=1n n1-n n )1-(x (-1), x ∈(0,2].例6：讨论二项式函数f(x)=(1+x)a 的展开式.解：当a 为正整数时，二项式展开式为f(x)=0a C +1a C x+2a C x 2+…+a a C x a；当a 不等于正整数时，f (n)(x)=a(a-1)…(a-n+1)(1+x)a-n , n=1,2,… f (n)(0)=a(a-1)…(a-n+1), n=1,2,…对f(x)的麦克劳林级数 1+ax+2!1)-a(a x 2+…+n!1)+n -(a …1)-a(a x n+…求收敛半径 R=n)-(a …1)-a(a n!1)+n -(a …1)-a(a 1)!(n lim∞n +→=1，又当x=±1时，若a ≤-1, 发散；若-1<a<0, x=1收敛, x=-1发散；若a>0, 收敛. ∴收敛域不确定.又当|x|<1时，R n (x)=1-a n1n )θx 1(θx 1θ1x n!n)-(a 1)-a(a +⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⋯+, 0≤θ≤1.由级数∑∞=+⋯0n 1n x n!n)-(a 1)-a(a 在(-1,1)收敛，知1n ∞n x n!n)-(a 1)-a(a lim+→⋯=0. 又0≤θx 1θ1+-≤1, ∴0<1-a n)θx 1(θx 1θ1+⎪⎭⎫ ⎝⎛+-≤(1+θx)a-1<(1+|x|)a-1≤2a-1.∴∞n lim →R n (x) =1-a n1n ∞n )θx 1(θx 1θ1x n!n)-(a 1)-a(a lim +⎪⎭⎫⎝⎛+-⋯+→=0. 从而有 (1+x)a=1+ax+2!1)x -a(a 2+…+n!1)x +n -(a …1)-a(a n +…=1+∑∞=1n nn!1)x +n -(a …1)-a(a , |x|<1.注：当a=-1时，x 11+=1-x+x 2+…+(-1)n x n+…=∑∞=-0n n n x )1(, |x|<1.当a=-21时，x11+=1-21x+4231⋅⋅x 2+…+(-1)n !)!n 2(!!1)-(2n x n +…=1+∑∞=1n n nx !)!n 2(!!1)-(2n (-1)=∑∞=++0n n n x 1)(2n !)!n 2(!!1)(2n (-1), x ∈(-1,1].例7：求下列函数的展开式： (1)2x 11+；(2)2x11-；(3)arctanx ；(4)arcsinx. 解：(1)记t=x 2, ∵t 11+=∑∞=-0n n n t )1(, |t|<1. ∴2x 11+=∑∞=-0n 2nn x )1(, |x|<1. (2)记t=-x 2, ∵t11+=∑∞=++0n n nt 1)(2n !)!n 2(!!1)(2n (-1), t ∈(-1,1].∴2x 11-=∑∞=++0n 2n x 1)(2n !)!n 2(!!1)(2n , |x|<1.(3)对(1)逐项求积：arctanx=∑∞=++-0n 12n n12n x )1(, |x|<1.(4)对(2)逐项求积：arcsinx=∑∞=+++0n 212n )1n 2(!)!n 2(x !!1)(2n , |x|≤1.例8：求下列函数在x=0处的幂级数展开式： (1)f(x)=(1-x)ln(1-x)；(2)f(x)=lnx1x1-+. 解：(1)记t=1-x ∈(0,2), ∵lnt 在t=1处的幂级数展开式为：lnt=∑∞=1n n1-n n )1-(t (-1), t ∈(0,2]. ∴ln(1-x) 在x=0处的幂级数展开式为：ln(1-x)=∑∞=-1n nnx , x ∈[-1,1).∴(1-x)ln(1-x)=∑∞=+1n 1n n x -∑∞=1n n n x =∑∞=2n n 1-n x -∑∞=2n n n x -x =-x+∑∞=2n n1)-n(n x , x ∈[-1,1).(2)∵ln(1+x)=∑∞=1n n 1-n n x (-1), x ∈(-1,1]；ln(1-x)=∑∞=-1n nnx , x ∈[-1,1). ∴lnx1x1-+在x=0处的幂级数展开式为： ln x 1x 1-+=ln(1+x)-ln(1-x)=∑∞=1n n 1-n n x (-1)+∑∞=1n n n x =2∑∞=1n 1-2n 1-2n x , x ∈(-1,1).例9：计算ln2的近似值，精确到0.0001.解：由ln x 1x 1-+=2∑∞=1n 1-2n 1-2n x , x ∈(-1,1). 当x=31时，ln2=21-2n 1n 311-2n 1⋅∑∞=.又 0<R n =2⎪⎭⎫⎝⎛⋯+⋅++⋅+++32n 12n 3132n 13112n 1<⎪⎭⎫ ⎝⎛⋯+++++4212n 313111)(2n 32=212n 31111)(2n 32-⋅++=1)(2n 3411-2n +⋅. 当n=4时，0<R n <73941⋅⋅<0.0001. ∴ln2≈21-2n 41n 311-2n 1⋅∑==2⎪⎭⎫⎝⎛⋅+⋅+⋅+75331713151313131≈0.6931.例10：用间接方法求非初等函数F(x)=⎰x0t -2e dt 的幂级数展开式.解：记x=-t 2, 由e x=∑∞=0n n n!x ，|x|<+∞，得2-t e =∑∞=-0n n 2n n!t )1(，|t|<+∞. 又R=1n n ∞n a a lim +→=n!)1(1)!(n )1(lim 1n n ∞n +→-+-=+∞，∴∑∞=-0n n2n n!t )1(在(-∞,+∞)内闭一致收敛. ∴⎰x0t -2e dt=∑⎰∞=-0n xn 2n n!t )1(dt=∑∞=++-0n 1n 2n 1)(2n n!x )1(, |x|<+∞.习题1、设函数f 在区间(a,b)上的各阶导数一致有界，即存在M>0，对一切x ∈(a,b)，有|f (n)(x)|≤M, n=1,2,…. 证明：对任意x,x 0∈(a,b)有f(x)=∑∞=-0n n 00)n ()x x (!n )x (f , (f(0)(x)=f(x), 0!=1). 证：对任意x,x 0∈(a,b)，∵|R n (x)|=1n 01)(n )x -(x 1)!(n ) (ξf +++≤1n a)-(b 1)!(n M++→0 (n →∞)，由定理14.11可知：f(x)=∑∞=-0n n 00)n ()x x (!n )x (f .2、利用已知函数的幂级数展开式，求下列函数在x=0处的幂级数展开式，并确定它收敛于该函数的区间：(1)2x e ；(2)x 1x 10-；(3)x21x -；(4)sin 2x ；(5)x -1e x ；(6)22x -x 1x +；(7)⎰x 0t sint dt ；(8)(1+x)e -x；(9)ln(x+2x 1+). 解：(1)记t=x 2, 由e t=∑∞=0n n n!t ，|t|<+∞，得2x e =∑∞=0n n 2n!x ，|x|<+∞.(2)∵x 11-=∑∞=0n nx , |x|<1. ∴x 1x 10-=∑∞=+0n 10n x , |x|<1.(3)记t=-2x ，由t11+=∑∞=++0n n nt 1)(2n !)!n 2(!!1)(2n (-1), t ∈(-1,1].得x 211-=∑∞=+⋅+0n n n x 1)(2n !)!n 2(2!!1)(2n =∑∞=++0n n x 1)(2n !n !!1)(2n , x ∈[-21,21). ∴x21x -=∑∞=+++0n 1n x 1)(2n !n !!1)(2n , x ∈[-21,21).(4)sin 2x=2cos2x-1；由cost=∑∞=0n 2n n (2n)!t (-1), |t|<+∞，得cos2x=∑∞=-0n n2n)!(2n (2x ))1(, |x|<+∞.∴sin 2x=21-∑∞=-0n n 2n )!(2n (2x ))1(21=∑∞=+-1n n 21-n 21n x )!(2n 2)1(, |x|<+∞. (5)∵e x=∑∞=0n n !n x , |x|<+∞；x 11-=∑∞=0n n x , |x|<1.∴x -1e x =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∑∞=0n n !n x ⎪⎭⎫ ⎝⎛∑∞=0n n x =∑∑∞==⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛0n n n 0k x !k 1, |x|<1. (6)22x -x 1x +=⎪⎭⎫ ⎝⎛+--x 211x 1131=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∑∑∞=∞=0n n n 0n n (2x)(-1)x 31 =n n 0n ]x (-2)[131-∑∞=, |x|<21. (7)由sint=∑∞=++-0n 1n 2n )!1(2n t )1(，|t|<+∞，得t sint =∑∞=+-0n n 2n )!1(2n t )1(，|t|<+∞.∴⎰xt sintdt=⎰∑∞=+-x 00n n 2n )!1(2n t )1(dt=∑⎰∞=+-0n x 0n 2n )!1(2n t )1(dt=∑∞=+++-0n 1n 2n )!11)(2n (2n x )1(，|x|<+∞.(8)由e t=∑∞=0n n !n t ，|t|<+∞，得e -x=∑∞=0n n n !n x (-1)，|x|<+∞，∴(1+x)e -x=∑∞=0n n n !n x (-1)+∑∞=+0n 1n n !n x (-1)=1+∑∞=++1n 1n n !1)(n nx (-1)，|x|<+∞.(9)[ln(x+2x 1+)]’=2x 11+，由t11+=1+∑∞=1n nnx !)!n 2(!!1)-(2n (-1), t ∈(-1,1]，得 2x 11+=1+∑∞=1n 2nnx !)!n 2(!!1)-(2n (-1), |x|≤1. ∴ln(x+2x 1+)=⎰∑⎥⎦⎤⎢⎣⎡+∞=x1n 2n n t !)!n 2(!!1)-(2n (-1)1dt =x+∑⎰∞=1n x 02n n x !)!n 2(!!1)-(2n (-1)=x+∑∞=++1n 12n nx )1n 2(!)!n 2(!!1)-(2n (-1)=∑∞=+++0n 12n 2nx )1n 2(!)!n 2(!!1)(2n (-1),|x|≤1.3、求下列函数在x=1处的泰勒展开式. (1)f(x)=3+2x-4x 2+7x 3；(2)f(x)=x1.解：(1)f(1)=8；f ’(1)=15；f ”(1)=34；f ”’(1)=42；f (n)(1)=0 (n ≥4). ∴在x=1处，f(x)=8+15(x-1)+17(x-1)2+7(x-1)3, |x|<+∞.(2)f(x)=x 1=1)-x (11+=∑∞=0n n n 1)-(x (-1) , |x-1|<1.4、求下列函数的麦克劳林级数展开式： (1))x 1)(x 1(x 2--；(2)xarctanx-ln 2x 1+. 解：(1)令)x 1)(x 1(x 2--=x )1()x 1(x 2+-=x 1A -+2x )1(B -+x1C+，可得A=-41，B=21，C=-41. ∴)x 1)(x 1(x 2--=-x 1141-⋅+2x )1(121-⋅-x1141+⋅ =-∑∞=0n n x 41-∑∞=0n nn x (-1)41+∑∞=+0n n 1)x (n 21=∑∞=+0n n n ]x 2(-1)-1[n 21, |x|<1. (2)arctanx=∑∞=++-0n 12n n12n x )1(=∑∞=--1n 12n 1-n 1n 2x (-1), |x|<1.ln 2x 1+=21ln(1+x 2)=∑∞=1n 2n1-n n x (-1)21, |x|≤1. ∴xarctanx-ln 2x 1+=∑∞=-1n 2n 1-n 1n 2x (-1)-∑∞=1n 2n 1-n 2n x (-1)=∑∞=-1n 2n 1-n 1)n 2n(2x (-1), |x|<1.5、试将f(x)=lnx 按1x 1x +-的幂展开成幂级数.证：∵ln x 1x1-+=2∑∞=++0n 12n 12n x , |x|<1.∴lnx=x1x 11x 1x11+--+-+=212n 0n x 1x 112n 1+∞=⎪⎭⎫⎝⎛+-+∑, |x|<1.。

04_解析函数的幂级数展开

可交换性：绝对收敛级数经改变项的位置后构成的级数仍绝对收敛，而且与原级数有相同的和. 若复数项级数 p 与 q 都绝对收敛，其和分别为S 和，则它们的Cauchy乘积 p q (p q p q ) (p q p q p q ) 也是绝对收敛的，且为S 。
孤立奇点的分类
孤立奇点分类：可去奇点、极点和本性奇点
极点与零点的关系
第六节解析函数在无穷远点的性态
定义
若函数 f ( z ) 在无穷远点 z 的某邻域 R | z | 内解析则称为 f ( z )的孤立奇点 .
从函数的极值看， z 是 f ( z )的可去奇点，极点或本性奇点的充分必要条件分别是：
2内收敛
于 f 2 ( z ). D 1与 D 2 有一公共区域，如图所示阴影区域，且在这个公共区域重两级数相等，所以 f 2 ( z ) 为 f 1 ( z )的解析延拓函数 .事实上，它们不过是同一解析函数域中的 T a ylo r 级数而已 . 1 1 z 在不同
第四章解析函数的幂级数展开

第一节第二节第三节第四节第五节第六节第七节
复数项级数与复变项级数幂级数解析函数的Taylor级数展开解析函数的Laurent级数展开孤立奇点解析函数在无穷远点的性态解析延拓
第一节复数项级数与复变项级数
复数项级数概念
设有复数列 z ( k

k
k

k
k 1

精选数学分析函数的幂级数展开讲解讲义