跳至主要內容

级数

大约 4 分钟

级数

复数项级数

任意级数收敛的必要条件

limnzn=0 \lim_{n\to\infty}z_n=0

任意级数收敛的充要条件

对于 $$z_n=x_n+iy_n$$ 级数 i=0xi\sum_{i=0}^{\infty}x_ii=0yn\sum_{i=0}^{\infty}y_n 均收敛

条件收敛与绝对收敛

  1. i=0zi\sum_{i=0}^{\infty}|z_i| 收敛, 则 i=0zi\sum_{i=0}^{\infty}z_i 收敛, 成为绝对收敛
  2. 若仅有 i=0zi\sum_{i=0}^{\infty}z_i 收敛, 则称为条件收敛
  3. 注意 zi|z_i| 为取模运算

判别法补充

比阶判别法

limnnpan=l \lim_{n\to\infty}n^pa_n=l

limnanlimnnp \lim_{n\to\infty}a_n\sim\lim_{n\to\infty}n^{-p}

  • 级数 1n\sum\frac{1}{n} 发散
  • 要求极限结果 ll 存在
  • p>1  0l<p>1\;0\le l<\infty 级数收敛
  • p1  0<lp\le1\;0<l\le\infty 级数发散
  • 通过寻找 ana_n 的等价无穷小判断p

莱布尼兹判别法

ana_n 为正项级数 当 an|a_n| 严格单调递减且收敛于0时有

(1)nan=S \sum(-1)^na_n = S

收敛, 且Sa0S\le a_0

幂级数

S=i=0Ci(zz0)i S=\sum_{i=0}^{\infty}C_i(z-z_0)^i

收敛半径

存在一个正整数 R 使得

  1. 级数 SSC:zz0=RC:|z-z_0|=R 内绝对收敛
  2. CC 外发散
  3. CC 上敛散性不确定
  4. 级数条件收敛的点必定在 CC

收敛半径求法

  1. 比值法

limnCn+1Cn=λ=1R \lim_{n\to\infty}|\frac{C_{n+1}}{C_n}|=\lambda=\frac{1}{R}

  1. 根值法

limnCnn=λ=1R \lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{C_n}=\lambda=\frac{1}{R}

  • 注意 CnC_n 为幂级数的常数项, 计算时不可将幂级数项整个带入

幂级数性质

  1. 幂级数的和函数 f(z)f(z) 在收敛圆内部解析
  2. 幂级数的和函数 f(z)f(z) 在收敛圆内可以逐项积分与求导
  3. 两个幂级数相加/乘中, 收敛半径为两级数收敛半径中较小的
  • 对于 zn=cosnz_n=cos n 的收敛半径即可拆分为 ein2\frac{e^{in}}{2}ein2\frac{e^{-in}}{2}

泰勒级数

泰勒定理

f(z)f(z)DD 内解析, DD 内一点 z0z_0 到边界的最短距离为 RR, 则在 C:zz0=RC:|z-z_0|=R 内部满足

f(z)=n=0Cn(zz0)i f(z)=\sum_{n=0}^{\infty}C_n(z-z_0)^i

其中

Cn=1n!f(n)(z0) C_n=\frac{1}{n!}f^{(n)}(z_0)

形式与实变函数相同, 注意系数 1n!\frac{1}{n!} 当函数能在 z0z_0 的领域内展开, 表明函数在 z0z_0 解析

泰勒展开

重要展开

  1. ez=n=0znn! e^z=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{z^n}{n!}

  2. 11z=n=0zn(z<1) \frac{1}{1-z}=\sum_{n=0}^{\infty}z^n (|z|<1)

展开方法

  1. 对于 z00z_0\neq 0 的情况下注意将 zz0z-z_0 视为一个整体
  2. 求复杂泰勒展开时, 可对各项积分/求导, 积分时以 z0z_0 为下限
    • 注意 (11z)=1(1z)2=1(1z)2(\frac{1}{1-z})'=-\frac{-1}{(1-z)^2}=\frac{1}{(1-z)^2}
  3. f(z)f(z)DD 内有奇点时, RRDD 内一点 z0z_0 到边界或奇点的最短距离
  4. 展开前提出 zz0z-z_0 前的常数项, 指数函数将指数加减化为系数, 三角函数则使用公式展开
  5. 可以将完整的 (zz0)n(z-z_0)^n 作为常数项提出后再展开

洛朗级数

设函数在圆环 R1<zz0<R2R_1<|z-z_0|<R_2 处处解析, 则函数满足

f(z)=n=Cn(zz0)n f(z)=\sum_{n=-\infty}^{\infty}C_n(z-z_0)^n

Cn=12πiCf(ξ)(ξz0)n+1dξ C_n=\frac{1}{2\pi i}\oint_C\frac{f(\xi)}{(\xi-z_0)^{n+1}}d\xi

  • 与高阶求导公式不同, CnC_n 可以取负值
  • 联系泰勒级数, 泰勒级数中导数还要除去 n!n!, 因此 CnC_n 也在高阶求导公式基础上除去了 n!n!

洛朗级数展开

  1. 泰勒级数为洛朗级数的特殊情况, 展开方法相同
  2. 洛朗级数中还允许直接将 1zz0\frac{1}{z-z_0} 视为整体展开
  3. 展开 f(z)f(z) 先找出所有奇点, 并对展开区域分段为 R1<zz0<R2R_1<|z-z_0|<R_2 保证奇点均在环上(环上的点不会被取到)
  4. 使用 11z\frac{1}{1-z} 作为展开公式时, 保证 zz0<1z-z_0<1 否则将 1zz0\frac{1}{z-z_0} 作为展开项
  5. f(z)f(z) 有奇点 00 时(即展开点 z0z_0 为奇点), 最小的环域为 0<zz0<R00<|z-z_0|<R_0
  6. z0z_0 点展开并不是说取 z=z0z=z_0 的函数值, 而是z0z_0 为中心做环域展开. 如果 z0z_0 为奇点, 则第一个环域为 0<zz0<R10<|z-z_0|<R_1, R1R_1 为下一个最近奇点的距离, 环域不取 z0z_0