冪級數、泰勒展開與解析性

複冪級數

冪級數是一個無窮多項式:你不在某個最高次方停下來,而是永遠寫下去。以 z_0 為中心時它是 sum a_n (z - z_0)^n = a_0 + a_1 (z - z_0) + a_2 (z - z_0)^2 + ...,其中係數 a_n 是固定的複數,z 是平面上的變動點。對每個選定的 z,這就是一個普通的複級數,你可以把它的各項加起來——只要它收斂。所以冪級數其實是一份食譜:餵給它一個 z,若級數收斂,就得到一個複數,也就是它所定義函數的值。

它在哪裡收斂?令人驚奇的是,答案永遠是同一種形狀:存在一個介於 0 與無窮之間的數 R,即收斂半徑,使得級數對所有滿足 |z - z_0| < R 的 z(絕對)收斂、對所有滿足 |z - z_0| > R 的 z 發散。收斂的集合是一個以 z_0 為中心的圓盤。這並非顯然——事先並沒有理由收斂區域要是圓的——但它直接由與幾何級數的比較得出。半徑 R 可以是 0(級數只在中心收斂、毫無用處)、一個有限正數,或無窮(級數在整個平面收斂)。

冪級數之所以重要,因為它們是複分析的局部遺傳密碼。本章的核心定理說:每個解析函數,在其定義域中任一點附近,「就是」一個收斂的冪級數——它的泰勒級數。所以冪級數不是一族要另外研究的特殊函數;它們正是每個良好複函數近看時的模樣。又因為冪級數在其圓盤內可逐項微分與積分,操作解析函數在局部上就化約為操作這些無窮多項式。

幾何級數 sum z^n = 1 + z + z^2 + ... 的所有 a_n = 1、中心 z_0 = 0。它恰在 |z| < 1 時收斂,那裡其和有簡單封閉形式 1 / (1 - z)。在單位圓盤外它發散,即使 1 / (1 - z) 在那裡仍是個完全良好的函數——級數只在它的圓盤內捕捉到該函數。

級數 sum z^n 與函數 1/(1 - z) 只在 |z| < 1 上相等;半徑 1 正是中心 0 到 z = 1 處奇點的距離。

冪級數只在它的圓盤內定義函數;同一個函數可能在更遠處仍有定義,但你要到達那些區域得繞著新的中心重新展開(解析延拓),而非靠原來的級數。

又称
power series冪級數