复变函数第四单元复数4复变函数幂级数

1、1CH 4 级数 1 1、复数项级数复数项级数 2 2、幂级数幂级数 3 3、泰勒、泰勒( (Taylor) )级数级数 4 4、罗朗罗朗( (Laurent) )级数级数2 2009, Henan Polytechnic University24.1 复数项级数复数项级数& 1. 复数列的极限复数列的极限& 2. 级数的概念级数的概念3 2009, Henan Polytechnic University3 1. 复数列的极限复数列的极限定义定义,), 2 , 1(nnnniban 其其中中设设复复数数列列： ，iba 又设复常数：又设复常数：时时的的极极限限，当当称称为为复

2、复数数列列那那么么，恒恒有有当当若若 nNnNnn, 0, 0 定理定理1.lim,limlimbbaannnnnn 证明证明 nnnNnN恒恒有有即即，”已已知知“, 0, 0lim.,lim 收收敛敛于于此此时时，也也称称复复数数列列时时，或或当当记记作作nnnnn 4 2009, Henan Polytechnic University4.lim,lim)()()()(22bbaabbaabbaabbiaannnnnnnnnnnnn 故故又又 .lim)()(22, 0, 0lim,lim nnnnnnnnnnnnnbbaabbiaabbaaNnNbbaa故故又又，恒恒有有即即，”已已知

3、知“5 2009, Henan Polytechnic University5例例1 判断下列数列是否收敛？若收敛，求出其判断下列数列是否收敛？若收敛，求出其极限极限.ninizn 11 )1(innez 2 )2( nniz )31( )3(innenz )11( )4( 6 2009, Henan Polytechnic University62. 级数的概念级数的概念 nnn 211 niinns121 级数的前面级数的前面n项的和项的和-级数的部分和级数的部分和称为级数的和称为级数的和ssnn lim称称为为收收敛敛级级数数 1nn 不收敛不收敛称称为为发发散散级级数数 1nn -无穷

4、级数无穷级数定义定义), 2 , 1( nibannn 设复数列：设复数列： 收收敛敛若若部部分分和和数数列列ns7 2009, Henan Polytechnic University7例例2解解.231的敛散性的敛散性判别判别 nniisiisnnnnkkn3lim),211(3231 又又.3,i且且和和为为级级数数收收敛敛定理定理2.111都都收收敛敛和和收收敛敛级级数数 nnnnnnba .lim,limlim)(111111都都收收敛敛和和由由定定理理， nnnnnnnnnnnnnkknkkknkknkknbabaibasibiaibas 证明证明8 2009, Henan Pol

5、ytechnic University8A 由定理由定理2，复数项级数的收敛问题可归之为，复数项级数的收敛问题可归之为 两个实数项级数的收敛问题两个实数项级数的收敛问题. 0lim: nn 收收敛敛的的必必要要条条件件级级数数 1nn 性质性质定理定理3.1111 nnnnnnnn 收收敛敛，且且收收敛敛若若证明证明222222,nnnnnnnnnnnbabbaabaiba 收敛。收敛。得得由定理由定理均绝对收敛，均绝对收敛，和和由比较判定法由比较判定法 1112nnnnnnba 1111,nnnnnkknkk 9 2009, Henan Polytechnic University9A 收收

6、敛敛. .收收敛敛若若 11nnnn ?)1(:(1 nnni例例如如定义定义.11111条条件件收收敛敛为为收收敛敛，则则称称发发散散，而而若若为为绝绝对对收收敛敛；收收敛敛，则则称称若若 nnnnnnnnnn 由定理由定理3的证明过程，及不等式的证明过程，及不等式:22有有nnnnbaba 定理定理4都都收收敛敛。和和收收敛敛级级数数 111nnnnnnba 10 2009, Henan Polytechnic University10解解.)1(111)1(1121发发散散收收敛敛，发发散散， nnnninnn绝绝对对收收敛敛。收收敛敛， 000!)8(!8!8)2(nnnnnnninn

7、i.)2)1(21)1()3(111收收敛敛收收敛敛，收收敛敛， nnnnnnninn例例2否否绝绝对对收收敛敛？下下列列级级数数是是否否收收敛敛？是是 011)2)1()3(!)8()2()1(1)1(nnnnnninninin.)1(1原原级级数数非非绝绝对对收收敛敛收收敛敛，条条件件又又 nnn11 2009, Henan Polytechnic University11级数收敛判定：级数收敛判定：1.正项级数收敛判定：正项级数收敛判定： .),l(0lim, 1,0lim1, 1, 1,lim1, 1, 1,lim,111收收敛敛则则若若发发散散；则则若若（极极限限判判别别），不不能能

8、确确定定；则则发发散散；则则级级数数收收敛敛；若若（柯柯西西），不不能能确确定定；则则发发散散；则则级级数数收收敛敛；若若（达达朗朗贝贝尔尔）发发散散；发发散散，则则收收敛敛；若若收收敛敛，则则若若（比比较较）部部分分和和有有上上界界；nnnpnnnnnnnnnnnnnnnnnulunpulnuppppuqqqquuvuuvvu2.交错级数收敛判定：交错级数收敛判定：.(-1), 0lim1收收敛敛则则单单调调递递减减，且且若若数数列列 nnnnnnuuu3.特殊结构的级数收敛判定：特殊结构的级数收敛判定： .,lim,)(收收敛敛则则部部分分和和有有界界级级数数单单调调递递减减，且且（狄狄力

9、力克克雷雷）若若数数列列收收敛敛；则则收收敛敛单单调调有有界界，且且级级数数若若数数列列阿阿贝贝尔尔11110nnnnnnnnnnnnnnvuvuuvuvu12 2009, Henan Polytechnic University12练习：练习：;110的敛散性的敛散性讨论讨论 nnien ;1的敛散性的敛散性讨论讨论 nnni.)11ln(1敛散性敛散性讨论讨论 nnin13 2009, Henan Polytechnic University13& 1. 幂级数的概念幂级数的概念& 2. 收敛定理收敛定理& 3. 收敛圆与收敛半径收敛圆与收敛半径& 4. 收

10、敛半径的求法收敛半径的求法& 5. 幂级数的运算和性质幂级数的运算和性质4.2 幂级数幂级数14 2009, Henan Polytechnic University141. 幂级数的概念幂级数的概念定义定义设复变函数列：设复变函数列：)1()()()()(211 zfzfzfzfnnn, 2 , 1,)( nDzzfn-称为复变函数项级数称为复变函数项级数级数的最前面级数的最前面n项的和项的和 nkknnzfzfzfzfzs121)()()()()(-级数的部分和级数的部分和发发散散。不不存存在在，称称级级数数其其和和为为收收敛敛在在称称级级数数若若) 1 ()(lim),(,) 1

11、 (),()(lim000000zszszzszsDznnnn 15 2009, Henan Polytechnic University15若级数若级数(1)在在D内处处收敛，其和为内处处收敛，其和为z的函数的函数)()()()(21zfzfzfzsn -级数级数(1)的和函数的和函数特殊情况，在级数特殊情况，在级数(1)中中得得nnnzzczf)()(0 ) 2()(00 nnnzzc)3(000 nnnzcz当当称为幂级数称为幂级数并并不不失失一一般般性性。研研究究级级数数中中令令在在)3()2()2(00 kknczz 16 2009, Henan Polytechnic Univer

12、sity162. 收敛定理收敛定理同实变函数一样，复变幂级数也有所谓的收敛定理：同实变函数一样，复变幂级数也有所谓的收敛定理：定理定理1 (阿贝尔阿贝尔(Able)定理）定理）.,)0(000级级数数必必绝绝对对收收敛敛的的则则对对满满足足收收敛敛在在若若级级数数zzzzzzcnnn .,00级级数数必必发发散散的的则则对对满满足足发发散散若若级级数数在在zzzzz 17 2009, Henan Polytechnic University17 ,2,1 ,0,max00202010 nMzczczczccMnnNN故故取取 证明证明，即即则则收收敛敛0lim,)1(000 nnnnnnzcz

13、c nnzcNnN000，恒恒有有，1,00 qzzzz则则若若,00nnnnnnMqzzzczc ,0收收敛敛由由于于 nnMq,0收收敛敛由由比比较较判判别别法法得得 nnnzc绝对收敛。绝对收敛。 0nnnzc18 2009, Henan Polytechnic University18(2)用反证法，用反证法，3. 收敛圆与收敛半径收敛圆与收敛半径收敛，收敛，有，有当当设设 01011,nnnzczzz由由Able定理，幂级数的收敛范围不外乎下述定理，幂级数的收敛范围不外乎下述三种情况：三种情况：(i)若对所有正实数都收敛，级数若对所有正实数都收敛，级数(3)在复平面上处在复平面上处处

14、收敛处收敛.！收收敛敛与与假假设设矛矛盾盾，得得证证知知由由 00)1(nnnzc(ii )除除z=0外，对所有的正实数都是发散的，这时，外，对所有的正实数都是发散的，这时， 级数级数(3)在复平面上除在复平面上除z=0外处处发散外处处发散.19 2009, Henan Polytechnic University19.)3(:)3(:发发散散数数外外，级级在在圆圆周周收收敛敛；内内，级级数数定定理理，在在圆圆周周由由 zczcAble., 0, 0)(00发发散散使使得得收收敛敛使使得得 nnnnnncciii 显然，显然， 否则，级数否则，级数(3)将在将在 处发散处发散.将收敛部分染成红

15、色，发散将收敛部分染成红色，发散部分染成蓝色，部分染成蓝色， 逐渐变大，逐渐变大，在在c c 内部都是红色内部都是红色, , 逐渐变逐渐变小，在小，在c c 外部都是蓝色，外部都是蓝色，红、蓝色不会交错红、蓝色不会交错.故故蓝蓝两两色色的的分分界界线线。为为红红、一一定定,RzcR ： 播放播放20 2009, Henan Polytechnic University20RRc21 2009, Henan Polytechnic University21A ( (i) )幂级数在收敛圆内部收敛，在收敛圆外幂级数在收敛圆内部收敛，在收敛圆外部发散，在圆周上可能收敛可能发散，具体问题部发散，在圆周

16、上可能收敛可能发散，具体问题要具体分析要具体分析. .定义定义这个红蓝两色的分界圆周这个红蓝两色的分界圆周cR叫做幂级数的叫做幂级数的收敛圆；这个圆的半径收敛圆；这个圆的半径R叫做幂级数的收敛半径叫做幂级数的收敛半径.(ii)幂级数幂级数(3)的收敛范围是以的收敛范围是以0为中心，半径为为中心，半径为R的圆域；幂级数的圆域；幂级数(2)的收敛范围是以的收敛范围是以z0为中心为中心,半径半径为为R的圆域的圆域.22 2009, Henan Polytechnic University224. 收敛半径的求法收敛半径的求法的的收收敛敛半半径径求求法法，有有关关于于幂幂级级数数)3(0 nnnzc

17、定理定理2(比值法比值法) 000/1lim1Rccnnn，则则若若zzcczczcinnnnnnnn 111limlim, 0)(证明证明发发散散，时时时时，即即当当绝绝对对收收敛敛；时时即即时时当当 00,11,1,1nnnnnnzczzzczz 23 2009, Henan Polytechnic University23!,01矛矛盾盾收收敛敛 nnnzc.1:0也也发发散散时时，当当以以下下证证 nnnzcz ,1,000收收，外外有有一一点点设设在在用用反反证证法法 nnnzczz :1,011定理得定理得，由，由满足满足再取一点再取一点Ablezzz .1,10 Rzcznnn故

18、故发散发散时，时，当当即即发发散散 ,00 nnnzc收收敛敛都都有有时时，对对若若 00)(nnnzczii ;0 Rzcnnn故故在复平面上处处收敛，在复平面上处处收敛，24 2009, Henan Polytechnic University24.,0)(00也也发发散散发发散散，从从而而有有外外，对对一一切切时时，除除当当 nnnnnnzczczziii . 0!0,001101000 Rzczzzzcznnnnnn故故收收敛敛，矛矛盾盾，满满足足则则收收敛敛否否则则，如如果果有有一一点点 定理定理3(根值法根值法) 000/1limRcnnn，则则若若25 2009, Henan P

19、olytechnic University25 定理定理3(根值法根值法) 000/1limRcnnn，则则若若 定理定理2(比值法比值法) 000/1lim1Rccnnn，则则若若26 2009, Henan Polytechnic University26例例1的收敛范围及和函数。的收敛范围及和函数。求幂级数求幂级数 nnnzzzz201121 nnzzzs又又zzn 11解解11lim1 Rccnnn.11lim, 0lim1zszznnnn 时，时，当当., 0lim1级级数数发发散散时时，当当 nnzz 综上综上 .1;111,0时时当当发发散散时时当当且且和和函函数数为为收收敛敛z

20、zzznn27 2009, Henan Polytechnic University27例例2 求下列幂级数的收敛半径求下列幂级数的收敛半径;) 1 (12 nnnz;)2(1 nnnz！;)1()3(1 nnnz;)4(12 nnz;)(cos)5(0 nnzin.)2()6(112 nnnzi28 2009, Henan Polytechnic University285. 幂级数的运算和性质幂级数的运算和性质q代数运算代数运算2010)()(rRzgzbrRzfzannnnnn 设设Rzzgzfzbazbzannnnnnnnnn )()()(000),min(21rrR 其中：其中：Rz

21、zgzfzbabababazbzannnnnnnnnnnn ),()()()()(002211000-幂级数的加、减运算幂级数的加、减运算-幂级数的乘法运算幂级数的乘法运算29 2009, Henan Polytechnic University29rzgRzzgrzzazfnnn )()(,)(0内内解解析析，且且在在设设Rzzgazgfnnn 0)()(-幂级数的代换幂级数的代换(复合复合)运算运算A 幂级幂级数的代换运数的代换运算在函数展算在函数展成幂级数中成幂级数中很有用很有用.例例3.)(10abazcbznnn 这这里里，复复常常数数的的幂幂级级数数，表表成成形形如如把把解解)()

22、(11abazbz 代换代换 abzgabazab1)(1111130 2009, Henan Polytechnic University30Rabazabazabazabazzgzgzgzgzgnn ,11)(,)()()(1)(1122解解 abzgabazababazbz1)(11111)()(11Razazabazabazababzgabbznn )()(1)()(1)()(11)(11111232代换代换展开展开还原还原31 2009, Henan Polytechnic University31q分析运算分析运算定理定理4Rzzfzcnnn )(0设设.)()(内内解解析析在在R

23、zzfi Rzznczczczfiinnnnnnnnn 1100)()()( )(zdzcdzzcdzzfiiincnncnnnc 00)()(-幂级数的逐项求导运算幂级数的逐项求导运算-幂级数的逐项积分运算幂级数的逐项积分运算 0101)(nnnznzcdf 或或RazCRz ,32 2009, Henan Polytechnic University32例例4 求幂级数的和函数及收敛圆求幂级数的和函数及收敛圆. 211321 )1(zznznn 32 )2(321zzznznn33 2009, Henan Polytechnic University33& 1. 泰勒展开定理泰勒展

24、开定理& 2. 展开式的唯一性展开式的唯一性& 3. 简单初等函数的泰勒展开式简单初等函数的泰勒展开式4.3 泰勒泰勒(Taylor)级数级数34 2009, Henan Polytechnic University341. 泰勒泰勒(Taylor)展开定理展开定理现在研究与此相反的问题：现在研究与此相反的问题：一个解析函数能否用幂级数表达一个解析函数能否用幂级数表达?(或者说或者说,一个解析函数能否展开成幂级数一个解析函数能否展开成幂级数? 解析函解析函数在解析点能否用幂级数表示？）数在解析点能否用幂级数表示？）由由4.24.2幂级数的性质知幂级数的性质知:一个幂级数的和函数

25、在一个幂级数的和函数在它的收敛圆内部是一个解析函数它的收敛圆内部是一个解析函数.以下定理给出了肯定回答：以下定理给出了肯定回答：任何任何解析函数解析函数都一定都一定能用幂级数表示能用幂级数表示.35 2009, Henan Polytechnic University35定理定理1（泰勒展开定理）（泰勒展开定理）,2 , 1 ,0)(!1:)1()()(,)(0)(00000 nzfnczzczfRzzDzRDzDzfnnnnn其其中中时时当当上上各各点点的的最最短短距距离离的的边边界界到到为为内内解解析析在在区区域域设设级数的处在Taylorzzf0)(Dk 0z rzkdzfizfnckn

26、nn 0100)(:)(21)(!1 分析：分析：代入代入(1)得得36 2009, Henan Polytechnic University36Dk 0z(*)()()()()2),10010nnnzzzfzf 有有，比比较较)2)(21)( kdzfizf 又又) 1)()()(21)()()(21)(!)()(00100010000)(00 knnnnnknnnnnnndzzzfizzdzfizznzfzzc z37 2009, Henan Polytechnic University37) 2()()(11100200000 nzzzzzzzzzzz ,111)(1100000zzzz

27、zzzz 注注意意到到, 100 qzzz 0000)()()()(nnnzzzzfzf 故故-(*)得证！得证！nnnzzzf)()()(0010 38 2009, Henan Polytechnic University38证明证明 kdzfizfCauchykzDrzrzk )(21)(:, ,:00积积分分公公式式由由内内任任一一点点为为设设, 100 qzzz 00000111)(11zzzzzzzz )3()()(1 100200000 nzzzzzzzzzz 39 2009, Henan Polytechnic University39级级数数处处的的在在函函数数逐逐项项积积分分

28、得得沿沿着着两两端端乘乘以以Talorzzfzznzfzfzfdzfizzdzfizzdzfidzfizfkifnnknnkkk000)(001002000)()4()(!)()( )()()(2)()()(2)(21)(21)(,2)( 40 2009, Henan Polytechnic University40.0)(lim:.1221)(21 )()(21)()()(21)(000010010内内成成立立在在即即KzRqMqrqrMdszzzzfdszzzfdszzzfzRNNNnNnKNnnKNnnnKNnnnN 41 2009, Henan Polytechnic Universi

29、ty41!.)(,)4(0000证证毕毕离离的的边边界界上上各各点点的的最最短短距距到到从从级级数数收收敛敛半半径径至至少少等等于于处处的的解解析析点点在在内内即即可可及及其其内内部部包包含含在在只只要要圆圆可可以以任任意意增增大大的的半半径径圆圆的的圆圆域域为为半半径径为为中中心心，的的收收敛敛范范围围是是以以级级数数DzTaylorzzfDkrkrzrz 42 2009, Henan Polytechnic University42收收敛敛圆圆周周上上. .只只能能在在收收敛敛半半径径还还可可以以扩扩不不然然的的话话, ,不不可可能能在在收收敛敛圆圆外外, ,奇奇点点又又不不可可能能在在收

30、收敛敛圆圆内内. .所所以以奇奇点点圆圆内内解解析析在在收收敛敛这这是是因因为为在在收收敛敛圆圆上上, , 奇奇点点因因此此, ,大大, ,)()2(zfA 000,)()()(zRzfzRTalorzzfzf即即之之间间的的距距离离, ,的的最最近近的的一一个个奇奇点点到到等等于于从从展展开开式式的的收收敛敛半半径径的的在在解解析析点点那那么么有有奇奇点点, ,若若( (1 1) )43 2009, Henan Polytechnic University432. 展开式的唯一性展开式的唯一性结论结论 解析函数展开成幂级数是唯一的，就是它解析函数展开成幂级数是唯一的，就是它的的Taylor级

31、数级数.利用泰勒级数可把解析函数展开成幂级数，这样利用泰勒级数可把解析函数展开成幂级数，这样的展开式是否唯一？的展开式是否唯一？1010021)( )()(2)( azfzznazzaazfnn nnzzazzazzaazf)()()()(0202010事实上事实上，设，设f (z)用另外的方法展开为幂级数用另外的方法展开为幂级数:导导性性质质得得，再再由由幂幂级级数数的的逐逐项项求求则则00)(azf , 2 , 1 , 0)(!1,0)( nzfnann依依此此类类推推得得，44 2009, Henan Polytechnic University44由此可见，任何解析函数展开成幂级数就是

32、由此可见，任何解析函数展开成幂级数就是Talor级数，因而是唯一的级数，因而是唯一的.级级数数为为：时时当当Taylorz,00 nnznfzfzffzf!)0(! 2)0( )0( )0()()(2-直接法直接法-间接法间接法代公式代公式由展开式的唯一性，运用级数的代数运算、分由展开式的唯一性，运用级数的代数运算、分 析运算和析运算和 已知函数的展开式来展开已知函数的展开式来展开函数展开成函数展开成Taylor级数的方法：级数的方法：45 2009, Henan Polytechnic University45.!3!21), 2 , 1 , 0(1)(3200)( Renzzzzeneez

33、nzzzznz该该级级数数的的收收敛敛半半径径在在复复平平面面上上解解析析又又3. 简单初等函数的泰勒展开式简单初等函数的泰勒展开式.0cos,sin,)(展展开开式式的的在在求求Talorzzzezfz 例例1 解解46 2009, Henan Polytechnic University46 00!)(!)(212sinnnnnzizinzinziiieez )!2()1(!4!21)(sincos242nzzzzznn又又 Rzz它们的半径它们的半径在全平面上解析，在全平面上解析，cos,sin 112111212)!12()1()!12(221kkkkkkkzkzii 1121753)

34、!12()1(!7!5!3sinkkkkzzzzzz47 2009, Henan Polytechnic University47A 上述求上述求sinz, cosz展开式的方法即为间接法展开式的方法即为间接法.例例2 把下列函数展开成把下列函数展开成 z 的幂级数的幂级数:)1ln()() 3()1 (1)() 2(11)() 1 (2zzfzzfzzf 解解1111)1(2 zzzzzn1)1(1)(1111 zzzzznn48 2009, Henan Polytechnic University48(2)由幂级数逐项求导性质得：由幂级数逐项求导性质得： 1) 1(321) 1(111)1

35、 (1112122 znzzzzzzdzdzdzdznnnn:)1(,)1(01)3(逐逐项项积积分分得得的的展展开开式式两两边边沿沿将将的的路路径径内内任任意意取取一一条条从从在在收收敛敛圆圆cczzz 11) 1(312)1ln(132 znzzzzznn znnzzzdzzzdzdzzdz0000)1(149 2009, Henan Polytechnic University49A(1)另一方面，因另一方面，因ln(1+z)在从在从z=-1向左沿负向左沿负实轴剪开的平面内解析，实轴剪开的平面内解析， ln(1+z)离原点最近的一离原点最近的一个奇点是个奇点是-1,它的展开式的收敛范围为

36、它的展开式的收敛范围为 z 1.1,11, 1)1(111)2( 22422 RizzRxxxxnn有有两两个个奇奇点点在在复复数数域域中中容容易易看看出出看看清清楚楚, ,在在实实数数域域中中的的不不容容易易为为什什么么它它的的收收敛敛半半径径在在实实数数域域中中50 2009, Henan Polytechnic University50练习练习;2)1)(2( )1(处展开成幂级数处展开成幂级数在在 zzzz处处展展开开成成幂幂级级数数；在在0sin )2(2z2 zze;-sinlim )3( zzz.2 )4(1 nnnin求求和和51 2009, Henan Polytechnic

37、 University51定理定理.)()()2(.)()()()1(0000幂幂级级数数内内可可展展成成在在内内解解析析在在区区域域函函数数数数某某一一邻邻域域内内可可展展成成幂幂级级的的在在解解析析在在点点函函数数DzfDzfzzczzfzzfnnn 52 2009, Henan Polytechnic University52解解析析在在点点小小结结：0)(zzf.)()4(. 0)()3(.)()2(.)()1(0000级级数数的的某某一一邻邻域域内内可可展展成成幂幂在在点点正正向向封封闭闭路路线线的的积积分分为为邻邻域域内内的的任任一一条条的的某某一一邻邻域域内内连连续续且且沿沿在在

38、点点方方程程且且满满足足导导数数的的某某一一邻邻域域内内有有连连续续偏偏的的实实部部和和虚虚部部在在点点的的某某一一邻邻域域内内可可导导在在点点zzfzzfRCzzfzzf 53 2009, Henan Polytechnic University53& 1. 预备知识预备知识& 2. 双边幂级数双边幂级数& 3. 函数展开成双边幂级数函数展开成双边幂级数& 4. 展开式的唯一性展开式的唯一性4.4 罗朗罗朗(Laurent)级数级数54 2009, Henan Polytechnic University54 由由4.34.3 知知, f (z) 在在 z0

39、解析解析，则，则 f (z)总可以总可以在在z0 的某一个圆域的某一个圆域 z - z0R 内内展开成展开成 z - z0 的幂级数的幂级数.若若 f (z) 在在 z0 点不解析点不解析，在在 z0的邻域中就不可能展开成的邻域中就不可能展开成 z - z0 的幂级数，但如果在圆环域的幂级数，但如果在圆环域 R1z - z0 R2 内解析，内解析，那么，那么，f (z)能否用能否用级数表示呢？级数表示呢？例如，例如，.11010:,1, 0)1(1)(内内处处处处解解析析及及圆圆环环域域但但在在都都不不解解析析在在 zzzzzzzf nzzzzz2111zzzzzfz 111)1(1)(,10

40、时时当当55 2009, Henan Polytechnic University55 )1(1111)1(1)(,110zzzzzfz时时当当 nnnnzzczzcczzczzczf)()()()()(00101010由此推想，若由此推想，若f (z) 在在R 1z - z0R2 内解析内解析, , f (z) 可可以展开成级数，只是这个级数含有负幂次项以展开成级数，只是这个级数含有负幂次项,即即 1211)1()1(111)1()1()1(111nnzzzzzzzz56 2009, Henan Polytechnic University56 本节将讨论在以本节将讨论在以z 0为中心的圆环

41、域内解析为中心的圆环域内解析的函数的级数表示法的函数的级数表示法.它是后面将要研究的解它是后面将要研究的解析函数在析函数在孤立奇点孤立奇点邻域内的性质以及定义邻域内的性质以及定义留数留数和计算留数的基础和计算留数的基础.57 2009, Henan Polytechnic University571. 预备知识预备知识Cauchy 积分公式的推广到复连通域积分公式的推广到复连通域-见第三章第见第三章第18题题，：、且且作作圆圆周周：解解析析内内在在设设RzzrDDkkRrRzzkrzzkRzzRDzf 01210201201,:,:.:)(Dz0R1R2rRk1k2D1z有，有，对对1Dz d

42、zfidzfizfkk 12)(21)(21)(58 2009, Henan Polytechnic University582. 双边幂级数双边幂级数-含有正负幂项的级数含有正负幂项的级数定义定义 形如形如)1()()()()()(001010100 nnnnnnnzzczzcczzczzczzc-双边幂级数双边幂级数正幂项正幂项(包括常数项包括常数项)部分部分：)2()()()(001000 nnnnnzzczzcczzc都是常数都是常数及及其中其中), 2, 1, 0(0 nczn负幂项部分负幂项部分：)3()()()(010110 nnnnnzzczzczzc59 2009, Hena

43、n Polytechnic University59级数级数(2)是一幂级数，设收敛半径为是一幂级数，设收敛半径为R2 ， 则级数则级数在在 z - z0 = =R2 内收敛，且和为内收敛，且和为s(z)+; 在在z - z0=R 2外发散外发散. 则则若若令令对对于于级级数数,1),3(0zz 级级数数发发散散。级级数数收收敛敛则则当当设设其其收收敛敛半半径径为为为为幂幂级级数数级级数数对对变变数数RRR ,)4() 4()(221110 nnnnnnnncccczzc )4(,11,1100则则级级数数代代回回得得将将令令RRzzzz .;)(,1010发发散散当当且且和和为为收收敛敛当当

44、RzzzsRzz 60 2009, Henan Polytechnic University60z0R1R2有有公公共共收收敛敛域域21RR z0R2R1无无公公共共收收敛敛域域21RR .)()()(,)()3()2(020121 zszszszzcRzzRRRnnn且和且和收敛收敛称称，此时，此时，区域即圆环域：区域即圆环域：有公共收敛有公共收敛及及时，级数时，级数当且仅当当且仅当61 2009, Henan Polytechnic University61.)()4(2010以以逐逐项项求求积积和和逐逐项项求求导导和和函函数数是是解解析析的的而而且且可可内内的的在在级级数数RzzRzzc

45、nnn A 02100)3(zzRR：，收收敛敛域域为为此此时时可可以以可可以以.)()1(021发发散散处处处处称称时时当当 nnnzzcRR，(2)(2)在圆环域的边界在圆环域的边界z - z0=R1, z - z0 =R2上上, , nnnzzc.)(0收收敛敛，有有些些点点发发散散可可能能有有些些点点62 2009, Henan Polytechnic University623. 函数展开成双边幂级数函数展开成双边幂级数定理定理.) 5(), 2, 1, 0()()(21:)5()()(,:)(0100201的的任任何何一一条条简简单单闭闭曲曲线线内内绕绕是是其其中中则则内内解解析析

46、在在设设zDcndzzzzficzzczfRzzRDzfcnnnnn 级级数数内内的的在在称称为为LaurentRzzRDzf201:)( 展展开开式式内内的的在在称称为为LaurentRzzRDzf201:)( 63 2009, Henan Polytechnic University63证明证明 由复连通域上的由复连通域上的Cauchy 积分公式：积分公式：Dz0R1R2rRk1k2D1z(*)(21)(21)(12 dzfidzfizfkk 记为记为I1记为记为I2，时时，当当1002 zzzk ，时时，当当记记为为1001 qzzzk )1(*)()()()(21(00010012 n

47、nnnknnzzczzdzfiI 的的推推导导得得：重重复复 364 2009, Henan Polytechnic University64 nnzzzzzzzz)()()(10102000 00000111)(11zzzzzzzzz )2(*)()()()()(2)()()(2)()(2)()(21020210110010201021111 nnknnkkkzzczzczzcdzfizzdzfizzdfizzdzfiI :,2)(1逐项积分得逐项积分得并沿并沿两边乘以两边乘以kif 65 2009, Henan Polytechnic University65式式(*1),(*2)中系数中

48、系数cn的积分分别是在的积分分别是在k2， k1上进上进行的，在行的，在D内取绕内取绕z0的简单闭曲线的简单闭曲线c，由复合闭路，由复合闭路定理可将定理可将cn写成统一式子：写成统一式子：), 2, 1, 0()()(2110 ndzficknn nnnzzczf)()(0证毕！证毕！级数中正整次幂部分和负整次幂部分分别称为级数中正整次幂部分和负整次幂部分分别称为洛朗级数的解析部分和主要部分洛朗级数的解析部分和主要部分.66 2009, Henan Polytechnic University66A .)(,!)(,0)1(0)(解析的解析的内不是处处内不是处处在在相同相同形式上与高阶导数公式

49、形式上与高阶导数公式系数系数时时当当czfnzfccnnnn 但但 (2) (2)在许多实际应用中，经常遇到在许多实际应用中，经常遇到f (z)在奇点在奇点 z0的邻域内解析，需要把的邻域内解析，需要把f (z)展成级数，那么展成级数，那么 就利用洛朗（就利用洛朗（ Laurent ）级数来展开）级数来展开.级数中正整次幂部分和负整次幂部分分别称为级数中正整次幂部分和负整次幂部分分别称为洛朗级数的解析部分和主要部分洛朗级数的解析部分和主要部分.67 2009, Henan Polytechnic University674. 展开式的唯一性展开式的唯一性结论结论 一个在某一一个在某一圆环域内解

50、析圆环域内解析的函数展开为含的函数展开为含有正、负幂项的级数是唯一的，这个级数就是有正、负幂项的级数是唯一的，这个级数就是f (z)的洛朗级数的洛朗级数.事实上事实上，)6()()(:)(0201 nnnzzazfRzzRDzf可可表表示示为为内内解解析析，在在设设 nnnzaf)()(0 Dz0R1R2cczDc 的的简简单单闭闭曲曲线线，内内任任何何一一条条绕绕为为设设068 2009, Henan Polytechnic University68的的正正向向积积分分得得：并并沿沿为为任任一一整整数数将将上上式式两两边边乘乘以以cPzP),()(110 Dz0R1R2c dzfiaiadz

51、adzfcpppncnpncp 101010)()(212)(1)()(解解得得：.,级级数数就就是是展展开开成成级级数数在在圆圆环环域域内内解解析析的的函函数数由由此此可可知知Laurent nnnzaf)()(0 69 2009, Henan Polytechnic University69A 由唯一性，将函数展开成由唯一性，将函数展开成Laurent级数，可级数，可用间接法用间接法.在大都数情况，均采用这一简便的方在大都数情况，均采用这一简便的方法求函数在指定圆环域内的法求函数在指定圆环域内的Laurent展开式，只有展开式，只有在个别情况下，才直接采用公式在个别情况下，才直接采用公式(

52、5)求求Laurent系系数的方法数的方法. .例例1解解.0sin展展开开成成洛洛朗朗级级数数在在求求 zzz 012)!12()1(1sinnnnnzzzz z0 !5!31!5!314253zzzzzz70 2009, Henan Polytechnic University70.03级级数数内内展展开开成成在在将将Laurentzzez )! 21(1!123033 nzzzznzzzennnz例例2解解例例3解解.01级级数数内内展展成成在在将将Laurentzez nttntte!1! 2112在在复复平平面面上上， nznzzeztz!1!2111,121令令)0( z ! 4! 31! 211123nzzzzzn71 2009, Henan Polytechnic University71例例4.02)(;21)(; 1)2)(1(1)(0的的幂幂级级数数内内展展开开成成（在在以以下下区区域域