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幂级数、奇点与洛朗级数

全纯函数其实暗中就是幂级数——它们是解析的。在它们失效之处便住着奇点,而洛朗级数让我们甚至能绕着洞展开,把“坏的”负幂项与好的项分开。

全纯即解析

这里有一个实变量没有的结果:每个 全纯 函数都是 解析的。若 f 在圆盘 |z − a| < R 上全纯,则在那里 f 等于它自己的 泰勒级数,f(z) = Σ c_n (z − a)^n,系数 c_n = f^(n)(a) / n! 由 柯西公式 给出。所以全纯——一个一阶导数条件——竟暗指无穷可微且可用 幂级数 表示。收敛半径 一直延伸到最近的 奇点

三类奇点

孤立 [[singularity|奇点]] 是这样一点 a:f 在去心圆盘 0 < |z − a| < R 上全纯,但在 a 处不全纯。恰有三种类型。可去:f 在 a 附近保持有界,可重新定义使之全纯(如 sin(z)/z 在 0 处)。m 阶 [[pole|极点]]:f 像 1/(z − a)^m 那样爆破(如 1/(z − a)^3)。[[essential-singularity|本性奇点]]:比任何极点都狂野(如 e^(1/z) 在 0 处),由 Casorati–Weierstrass 定理,其取值会任意接近每个复数。

洛朗级数

要绕奇点展开,就允许 负幂[[laurent-series|洛朗级数]] 是 f(z) = Σ_{n=−∞}^{∞} c_n (z − a)^n,在圆环 r < |z − a| < R 上成立。负幂部分是“主部”;它正是用来探测并分类奇点的。若主部为空,奇点可去;若主部止于 −m,你得到一个 m 阶极点;若主部无尽,奇点为本性奇点。那一个系数 c_{−1} 便是 留数,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.
把已知泰勒级数除以某个幂,再读出主部。