冪級數、泰勒展開與解析性

複數的數列與級數

複數的數列只是一串有序的複數 z_1, z_2, z_3, ...,其中每個 z_n 都住在複平面上、而非數線上。我們問的問題與實數微積分相同:當 n 變大時,這些點是否會穩定地趨近某個固定的點 z,還是永遠遊蕩?所謂級數,就是把這些點加起來:無窮和 z_1 + z_2 + z_3 + ... 的意思,是它的部分和 s_N = z_1 + ... + z_N 自己構成一個數列,而當這個部分和數列有極限時,我們就說級數「等於」那個極限。

複平面上的收斂之所以簡單,是因為它分裂成兩個普通的實數問題。寫 z_n = x_n + i y_n,則 z_n 收斂到 z = x + i y,恰好等價於 x_n 收斂到 x 「且」 y_n 收斂到 y——實部與虛部各自在數線上收斂。等價地說,z_n 收斂到 z,就是距離 |z_n - z| 縮小到 0。因此你對實數極限的所有認識都可直接搬過來;唯一的新味道是「靠近」現在指的是在平面上作為點靠近,並由模來度量。一個有用的檢驗:若級數 sum z_n 收斂,則其各項 z_n 必趨於 0(第 n 項判別法)。這是必要的,但與數線上一樣,並非充分。

這些觀念是本章後續一切的基礎。冪級數——解析函數的局部 DNA——正是一個各項為複數 a_n (z - z_0)^n 的無窮級數,每固定一個 z 就有一項。問這種級數在哪裡收斂,就是在問:對哪些 z 這個複級數會穩定下來?所以數列與級數絕不是枯燥的前置,而是泰勒定理與解析性所使用的語言。

取 z_n = (1 + i)^n / n!。由於 n! 最終會壓倒任何 |1 + i|^n = (sqrt 2)^n,各項迅速縮小,故 |z_n| -> 0,數列收斂到 0。事實上級數 sum (1 + i)^n / n! 也收斂——它正是 e^z 在 z = 1 + i 的泰勒級數,給出 e^(1+i) = e (cos 1 + i sin 1)。

分母的階乘增長勝過模的幾何增長,故此級數處處收斂——這正是 e^z 為整函數的原因。

級數的各項可以趨於 0 卻仍發散:sum 1/n 發散,儘管 1/n -> 0。第 n 項判別法只能用來證明發散(當各項不趨於 0 時),永遠無法證明收斂。

又称
complex series複級數