復(fù)變函數(shù)與積分變換4.1-復(fù)數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)市公開課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第四章解析函數(shù)級(jí)數(shù)表示§4.2復(fù)變函數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)§4.1復(fù)數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)§4.3泰勒級(jí)數(shù)§4.4洛朗級(jí)數(shù)第1頁§4.1復(fù)數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)一、復(fù)數(shù)序列二、復(fù)數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)第2頁一、復(fù)數(shù)序列1.基本概念定義設(shè)為復(fù)數(shù)，稱為復(fù)數(shù)序列。極限假如對(duì)任意給定

e>

0，對(duì)應(yīng)地存在自然數(shù)N，設(shè)

為一復(fù)數(shù)序列，又設(shè)

為一確定復(fù)數(shù)，當(dāng)

n

>

N時(shí)，總有

|

zn-

a

|

<

e

成立，或或稱

a

為復(fù)數(shù)序列極限，收斂于復(fù)數(shù)

a，則稱復(fù)數(shù)序列記作使得第3頁一、復(fù)數(shù)序列2.復(fù)數(shù)序列極限存在充要條件則

充要條件是定理設(shè)證實(shí)必要性“”若則當(dāng)時(shí)，

P78定理

4.1

第4頁則

充要條件是一、復(fù)數(shù)序列2.復(fù)數(shù)序列極限存在充要條件定理設(shè)證實(shí)充分性“”則當(dāng)

時(shí)，若第5頁解由或發(fā)散，即得也發(fā)散。已知故序列收斂。附考查實(shí)序列

收斂性。(其中見上例)依據(jù)復(fù)數(shù)模三角不等式有第6頁注(1)序列收斂序列收斂；(2)例設(shè)討論序列收斂性。解即序列收斂。第7頁二、復(fù)數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)1.基本概念定義設(shè)為一復(fù)數(shù)序列，(1)稱為復(fù)數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)，(2)稱為級(jí)數(shù)部分和；而且極限值

s

稱為級(jí)數(shù)和；(3)假如序列收斂，即則稱級(jí)數(shù)收斂，(4)假如序列不收斂，則稱級(jí)數(shù)發(fā)散。簡記為第8頁二、復(fù)數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)2.復(fù)數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)收斂充要條件級(jí)數(shù)

和

都收斂。則級(jí)數(shù)收斂充分必要條件是定理設(shè)證實(shí)令

和

分別為級(jí)數(shù)和

部分和，則級(jí)數(shù)

部分和即得級(jí)數(shù)

收斂充要條件是

和

都收斂。因?yàn)樾蛄惺諗砍湟獥l件是和都收斂，

P80定理

4.1

第9頁二、復(fù)數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)3.復(fù)數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)收斂必要條件則

收斂必要條件是定理設(shè)等價(jià)于所以

收斂必要條件是證實(shí)因?yàn)榧?jí)數(shù)

收斂充要條件是

和

都收斂，而實(shí)數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)

和

收斂必要條件是：P80定理4.3

第10頁級(jí)數(shù)收斂，解但級(jí)數(shù)發(fā)散，所以級(jí)數(shù)發(fā)散。(幾何級(jí)數(shù)時(shí)收斂)(

p

級(jí)數(shù)時(shí)發(fā)散)P81例4.2部分

第11頁解因?yàn)榧?jí)數(shù)和均為收斂，(絕對(duì)收斂)故有級(jí)數(shù)和均收斂，即得級(jí)數(shù)收斂。記為在復(fù)數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)中是否也能引入絕對(duì)收斂概念呢？P81例4.2部分

第12頁4.復(fù)數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)絕對(duì)收斂與條件收斂二、復(fù)數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)定義(1)若

收斂，則稱絕對(duì)收斂。(2)若

發(fā)散，

收斂，則稱

條件收斂。由收斂，證實(shí)收斂，定理若收斂，則必收斂。又依據(jù)正項(xiàng)級(jí)數(shù)比較法可得，和

均收斂，和均收斂，收斂。P81

P80定理4.4

第13頁解因?yàn)榧唇^對(duì)收斂，故收斂。第14頁分析因?yàn)榘l(fā)散，(

p

級(jí)數(shù)，比階法)所以不能馬上判斷

是否收斂。解故級(jí)數(shù)收斂。記為(萊布尼茲型交織級(jí)數(shù))收斂，收斂，第15頁§4.2復(fù)變函數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)一、基本概念二、冪級(jí)數(shù)三、冪級(jí)數(shù)性質(zhì)第16頁一、基本概念1.復(fù)變函數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)(2)稱為區(qū)域

G

內(nèi)(1)稱為區(qū)域

G

內(nèi)復(fù)變函數(shù)序列。定義設(shè)復(fù)變函數(shù)在區(qū)域

G

內(nèi)有定義，復(fù)變函數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)，簡記為第17頁一、基本概念2.復(fù)變函數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)收斂定義(1)稱為級(jí)數(shù)部分和。定義設(shè)為區(qū)域G

內(nèi)復(fù)變函數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)，稱級(jí)數(shù)在點(diǎn)收斂。z0則稱級(jí)數(shù)在區(qū)域

D

內(nèi)收斂。(3)假如存在區(qū)域D

G

，有此時(shí)，稱(2)假如對(duì)

G

內(nèi)某一點(diǎn)，有z0則為和函數(shù)，D

為收斂域。第18頁二、冪級(jí)數(shù)1.冪級(jí)數(shù)概念其中，

為復(fù)常數(shù)。定義稱由下式給出復(fù)變函數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)為冪級(jí)數(shù)：(

I

)尤其地，當(dāng)

時(shí)有(Ⅱ)注(1)下面主要是對(duì)型冪級(jí)數(shù)進(jìn)行討論，所得到結(jié)論(Ⅱ)只需將換成

即可應(yīng)用到型冪級(jí)數(shù)。(

I

)z(2)對(duì)于型冪級(jí)數(shù)，在

點(diǎn)必定收斂。(Ⅱ)第19頁二、冪級(jí)數(shù)2.阿貝爾

(

Abel

)

定理(1)假如級(jí)數(shù)在點(diǎn)收斂，則它在

上絕對(duì)收斂；對(duì)于冪級(jí)數(shù)，有定理(2)假如級(jí)數(shù)在點(diǎn)發(fā)散，則它在

上發(fā)散。則存在

M，使對(duì)全部

n

有即得收斂。證實(shí)(1)由收斂，有其中，當(dāng)時(shí)，

P83定理

4.5

推論(阿貝爾與伽羅華)第20頁對(duì)于冪級(jí)數(shù)，有二、冪級(jí)數(shù)2.阿貝爾

(

Abel

)

定理(1)假如級(jí)數(shù)在點(diǎn)收斂，則它在

上絕對(duì)收斂；定理(2)假如級(jí)數(shù)在點(diǎn)發(fā)散，則它在

上發(fā)散。證實(shí)(2)反證法：與已知條件矛盾。已知級(jí)數(shù)在點(diǎn)發(fā)散，假設(shè)存在使得級(jí)數(shù)在點(diǎn)收斂，由定理第

(1)

條有，級(jí)數(shù)在上絕對(duì)收斂；級(jí)數(shù)在點(diǎn)收斂，第21頁二、冪級(jí)數(shù)3.收斂圓與收斂半徑發(fā)散發(fā)散收斂收斂分析第22頁二、冪級(jí)數(shù)3.收斂圓與收斂半徑發(fā)散發(fā)散收斂收斂定義如圖設(shè)

CR

半徑為

R，(1)稱圓域?yàn)槭諗繄A。(2)稱

R

為收斂半徑。R注意級(jí)數(shù)在收斂圓邊界上各點(diǎn)收斂情況是不一定。約定表示級(jí)數(shù)僅在z

=

0點(diǎn)收斂；表示級(jí)數(shù)在整個(gè)復(fù)平面上收斂。第23頁例考查級(jí)數(shù)收斂性。對(duì)任意解都有收斂半徑為(必要條件?)例考查級(jí)數(shù)收斂性。由收斂，所以級(jí)數(shù)在全平面上收斂，收斂，故級(jí)數(shù)僅在點(diǎn)收斂，收斂半徑為對(duì)任意固定解當(dāng)時(shí)，有第24頁級(jí)數(shù)部分和為解▲級(jí)數(shù)發(fā)散。級(jí)數(shù)收斂；(1)當(dāng)時(shí)，和函數(shù)為(2)當(dāng)時(shí)，故級(jí)數(shù)收斂半徑為第25頁二、冪級(jí)數(shù)4.求收斂半徑方法(1)比值法假如則收斂半徑為對(duì)于冪級(jí)數(shù)，有推導(dǎo)考慮正項(xiàng)級(jí)數(shù)利用達(dá)朗貝爾判別法：當(dāng)即時(shí)，級(jí)數(shù)收斂；當(dāng)即時(shí)，級(jí)數(shù)發(fā)散。P85

第26頁(2)根值法假如則收斂半徑為二、冪級(jí)數(shù)4.求收斂半徑方法(1)比值法假如則收斂半徑為對(duì)于冪級(jí)數(shù)，有(利用正項(xiàng)級(jí)數(shù)柯西判別法即可得到)第27頁例求冪級(jí)數(shù)收斂半徑與收斂圓。由解收斂圓為收斂半徑為例求冪級(jí)數(shù)收斂半徑與收斂圓。由解收斂圓為收斂半徑為得得P86例4.3部分

第28頁例求冪級(jí)數(shù)收斂半徑與收斂圓。收斂圓為故級(jí)數(shù)收斂半徑為因?yàn)榻獾?9頁令則在內(nèi)有三、冪級(jí)數(shù)性質(zhì)1.冪級(jí)數(shù)運(yùn)算性質(zhì)P86

第30頁2.冪級(jí)數(shù)分析性質(zhì)即(3)在收斂圓內(nèi)能夠逐項(xiàng)積分，即(1)函數(shù)在收斂圓內(nèi)解析。設(shè)性質(zhì)則(2)函數(shù)導(dǎo)數(shù)可由其冪函數(shù)逐項(xiàng)求導(dǎo)得到，三、冪級(jí)數(shù)性質(zhì)P87

第31頁3.冪級(jí)數(shù)代換(復(fù)合)性質(zhì)在把函數(shù)展開成冪級(jí)數(shù)時(shí)，上述三類性質(zhì)有著主要作用。又設(shè)函數(shù)在

內(nèi)解析，且滿足設(shè)級(jí)數(shù)

在內(nèi)收斂，和函數(shù)為性質(zhì)當(dāng)時(shí)，有則三、冪級(jí)數(shù)性質(zhì)第32頁解方法一

利用乘法運(yùn)算性質(zhì)方法二

利用逐項(xiàng)求導(dǎo)性質(zhì)第33頁解其收斂半徑為收斂圓為第34頁§4.3泰勒級(jí)數(shù)一、泰勒(Taylor)定理二、將函數(shù)展開為泰勒級(jí)數(shù)方法第35頁z0DC一、泰勒(Taylor)定理則當(dāng)時(shí)，有定理設(shè)函數(shù)在區(qū)域

D

內(nèi)解析，C

為

D

邊界，其中，證實(shí)(略)

Rl

為

D

內(nèi)包圍

點(diǎn)z0任意一條閉曲線。l

P88定理

4.6

(進(jìn)入證實(shí)?)第36頁一、泰勒(Taylor)定理注(1)為何只能在圓域上展開為冪級(jí)數(shù)，z0RDC而不是在整個(gè)解析區(qū)域

D

上展開？回答這是因?yàn)槭艿絻缂?jí)數(shù)本身收斂性質(zhì)限制：

冪級(jí)數(shù)收斂域必須是圓域。

冪級(jí)數(shù)一旦收斂，其和函數(shù)一定解析。第37頁一、泰勒(Taylor)定理注(2)展開式中系數(shù)還能夠用以下方法直接給出。方法一第38頁一、泰勒(Taylor)定理注(2)展開式中系數(shù)還能夠用以下方法直接給出。方法二z0RDCl第39頁一、泰勒(Taylor)定理注(3)對(duì)于一個(gè)給定函數(shù)，用任何方法展開為冪級(jí)數(shù)，其結(jié)果都是一樣，即含有唯一性。將函數(shù)在點(diǎn)展開為冪級(jí)數(shù)。比如方法一

利用已知結(jié)果(§4.2

):方法二

利用泰勒定理

:方法三

利用長除法。(長除法)第40頁一、泰勒(Taylor)定理注(4)對(duì)于一個(gè)給定函數(shù)，能不能在不詳細(xì)展開為冪級(jí)數(shù)情況下，就知道其收斂域？能夠知道。函數(shù)在點(diǎn)展開為泰勒級(jí)數(shù)，其收斂半徑結(jié)論等于從點(diǎn)到最近一個(gè)奇點(diǎn)距離。(1)冪級(jí)數(shù)在收斂圓內(nèi)解析，

所以奇點(diǎn)

不可能理由在收斂圓內(nèi)；(2)奇點(diǎn)

也不可能在收斂圓外，不然收斂半徑還能夠擴(kuò)大，故奇點(diǎn)

只能在收斂圓周上。第41頁二、將函數(shù)展開為泰勒級(jí)數(shù)方法1.直接展開法利用泰勒定理，直接計(jì)算展開系數(shù)將函數(shù)在點(diǎn)展開為冪級(jí)數(shù)。例解P90例4.6

第42頁二、將函數(shù)展開為泰勒級(jí)數(shù)方法1.直接展開法利用泰勒定理，直接計(jì)算展開系數(shù)同理可得第43頁二、將函數(shù)展開為泰勒級(jí)數(shù)方法2.間接展開法依據(jù)唯一性，利用一些已知展開式，經(jīng)過有理運(yùn)算、代換運(yùn)算、逐項(xiàng)求導(dǎo)、逐項(xiàng)求積等方法展開。兩個(gè)主要已知展開式第44頁故收斂半徑函數(shù)有奇點(diǎn)解函數(shù)有奇點(diǎn)故收斂半徑(1)(2)P92例4.10

第45頁(1)解將函數(shù)分別在點(diǎn)展開為冪級(jí)數(shù)。例P92例4.11修改

第46頁(2)解將函數(shù)分別在點(diǎn)展開為冪級(jí)數(shù)。例第47頁(1)解(2)第48頁解第49頁解將函數(shù)在點(diǎn)展開為冪級(jí)數(shù)。例將函數(shù)在點(diǎn)展開為冪級(jí)數(shù)。例解第50頁解將函數(shù)在點(diǎn)展開為冪級(jí)數(shù)。例*P93例4.12

第51頁§4.4洛朗級(jí)數(shù)一、含有負(fù)冪次項(xiàng)“冪級(jí)數(shù)”二、洛朗(Laurent)定理三、將函數(shù)展開為洛朗級(jí)數(shù)方法第52頁一、含有負(fù)冪次項(xiàng)“冪級(jí)數(shù)”1.問題分析引例依據(jù)前面討論已知，函數(shù)

在

點(diǎn)冪級(jí)數(shù)展開式為實(shí)際上，該函數(shù)在整個(gè)復(fù)平面上僅有一個(gè)奇點(diǎn)，但正是這么一個(gè)奇點(diǎn)，使得函數(shù)只能在內(nèi)展開為

z

冪級(jí)數(shù)，而在如此廣大解析區(qū)域內(nèi)不能展開為

z

冪級(jí)數(shù)。

有沒有其它方法呢？一粒老鼠屎，壞了一鍋湯！第53頁一、含有負(fù)冪次項(xiàng)“冪級(jí)數(shù)”1.問題分析構(gòu)想這么一來，在整個(gè)復(fù)平面上就有由，有從而可得第54頁一、含有負(fù)冪次項(xiàng)“冪級(jí)數(shù)”1.問題分析啟示假如不限制一定要展開為只含正冪次項(xiàng)冪級(jí)數(shù)話，即假如引入負(fù)冪次項(xiàng)，那么就有可能將一個(gè)函數(shù)在整個(gè)復(fù)平面上展開(除了奇點(diǎn)所在圓周上)。在引入了負(fù)冪次項(xiàng)以后，“冪級(jí)數(shù)”收斂特征怎樣呢？下面將討論以下形式級(jí)數(shù):第55頁一、含有負(fù)冪次項(xiàng)“冪級(jí)數(shù)”分析2.級(jí)數(shù)收斂特征將其分為兩部分：正冪次項(xiàng)部分與負(fù)冪次項(xiàng)部分。(A)(B)(1)對(duì)于

(A)

式，其收斂域形式為(2)對(duì)于

(B)

式，其收斂域形式為依據(jù)上一節(jié)討論可知：第56頁一、含有負(fù)冪次項(xiàng)“冪級(jí)數(shù)”結(jié)論2.級(jí)數(shù)收斂特征(1)假如級(jí)數(shù)收斂，則其收斂域“一定”為環(huán)域：①

假如只含正冪次項(xiàng)(或者加上有限個(gè)負(fù)冪次項(xiàng))，尤其地則其收斂域?yàn)椋夯颌?/p>

假如只含負(fù)冪次項(xiàng)(或者加上有限個(gè)正冪次項(xiàng))，則其收斂域?yàn)椋荷鲜鰞深愂諗坑虮豢醋魇且粋€(gè)特殊環(huán)域。第57頁一、含有負(fù)冪次項(xiàng)“冪級(jí)數(shù)”結(jié)論2.級(jí)數(shù)收斂特征(1)假如級(jí)數(shù)收斂，則其收斂域“一定”為環(huán)域：而且含有與冪級(jí)數(shù)一樣運(yùn)算性質(zhì)和分析性質(zhì)。(2)級(jí)數(shù)在收斂域內(nèi)其和函數(shù)是解析,

所以，下面將討論怎樣將一個(gè)函數(shù)在其解析環(huán)域內(nèi)展開為上述形式級(jí)數(shù)。第58頁R2z0R1D二、洛朗(Laurent)定理設(shè)函數(shù)在圓環(huán)域定理C

為在圓環(huán)域內(nèi)繞任何一條簡單閉曲線。解析,內(nèi)在此圓環(huán)域中展開為則

一定能其中，證實(shí)(略)zC

P94定理

4.7

(進(jìn)入證實(shí)?)第59頁注(1)展開式中系數(shù)能夠用下面得方法直接給出。二、洛朗(Laurent)定理R2zz0R1CD第60頁注(2)洛朗級(jí)數(shù)中正冪次項(xiàng)和負(fù)冪次項(xiàng)分別稱為洛朗級(jí)數(shù)二、洛朗(Laurent)定理解析部分和主要部分。(3)一個(gè)在某圓環(huán)域內(nèi)解析函數(shù)展開為含有正負(fù)冪次項(xiàng)級(jí)數(shù)是唯一。(4)系數(shù)?(5)若函數(shù)在圓環(huán)內(nèi)解析，則在在此圓環(huán)內(nèi)洛朗展開式就是泰勒展開式。第61頁三、將函數(shù)展開為洛朗級(jí)數(shù)方法1.直接展開法依據(jù)洛朗定理，在指定解析環(huán)上R2zz0R1CD直接計(jì)算展開系數(shù)：有點(diǎn)繁！有點(diǎn)煩！第62頁三、將函數(shù)展開為洛朗級(jí)數(shù)方法依據(jù)唯一性，利用一些已知展開式，經(jīng)過有理運(yùn)算、代換運(yùn)算、逐項(xiàng)求導(dǎo)、逐項(xiàng)求積等方法展開。兩個(gè)主要已知展開式2.間接展開法第63頁三、將函數(shù)展開為洛朗級(jí)數(shù)方法都需要依據(jù)函數(shù)奇點(diǎn)位置，將復(fù)平面(或者題目指定不論是直接展開法還是間接展開法，在求展開