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冪級數、奇點與羅朗級數

全純函數其實暗中就是冪級數——它們是解析的。在它們失效之處便住著奇點,而羅朗級數讓我們甚至能繞著洞展開,把「壞的」負冪項與好的項分開。

全純即解析

這裡有一個實變量沒有的結果:每個 全純 函數都是 解析的。若 f 在圓盤 |z − a| < R 上全純,則在那裡 f 等於它自己的 泰勒級數,f(z) = Σ c_n (z − a)^n,係數 c_n = f^(n)(a) / n! 由 柯西公式 給出。所以全純——一個一階導數條件——竟暗指無窮可微且可用 冪級數 表示。收斂半徑 一直延伸到最近的 奇點

三類奇點

孤立 [[singularity|奇點]] 是這樣一點 a:f 在去心圓盤 0 < |z − a| < R 上全純,但在 a 處不全純。恰有三種類型。可去:f 在 a 附近保持有界,可重新定義使之全純(如 sin(z)/z 在 0 處)。m 階 [[pole|極點]]:f 像 1/(z − a)^m 那樣爆破(如 1/(z − a)^3)。[[essential-singularity|本性奇點]]:比任何極點都狂野(如 e^(1/z) 在 0 處),由 Casorati–Weierstrass 定理,其取值會任意接近每個複數。

羅朗級數

要繞奇點展開,就允許 負冪[[laurent-series|羅朗級數]] 是 f(z) = Σ_{n=−∞}^{∞} c_n (z − a)^n,在圓環 r < |z − a| < R 上成立。負冪部分是「主部」;它正是用來探測並分類奇點的。若主部為空,奇點可去;若主部止於 −m,你得到一個 m 階極點;若主部無盡,奇點為本性奇點。那一個係數 c_{−1} 便是 留數,下一篇的主角。

Laurent expansion of f(z) = e^z / z^3 around 0.

Start from the Taylor series of e^z (valid for all z):
   e^z = 1 + z + z^2/2! + z^3/3! + z^4/4! + ...

Divide every term by z^3:
   f(z) = e^z / z^3
        = 1/z^3 + 1/z^2 + (1/2)*1/z + 1/3! + (1/4!) z + ...

Read off the structure on the annulus 0 < |z| < infinity:
   principal part = 1/z^3 + 1/z^2 + (1/2)/z   (stops at -3)
   => 0 is a POLE of order 3.
   The residue is the coefficient of 1/z:   c_{-1} = 1/2.

Classification check with e^{1/z} (contrast):
   e^{1/z} = 1 + 1/z + 1/(2! z^2) + 1/(3! z^3) + ...
   principal part has INFINITELY many terms => 0 is ESSENTIAL.
把已知泰勒級數除以某個冪,再讀出主部。