洛朗级数

Laurent Series
洛朗级数是包含正负次幂的级数,可以表示圆环上的解析函数(特点:在圆环域处展开)

把在某点 z0 不解析,但在 z0 的去心邻域解析的函数展开成级数时,使用洛朗级数

一、定理内容

双边幂级数:

∑n=−∞∞cn(z−z0)n=∑n=1∞c−n(z−z0)−n+∑n=0∞cn(z−z0)n ∑n=0∞cn(z−z0)n ∑n=1∞c−n(z−z0)−n=∑n=1∞c−nζn

两部分同时收敛时,双边幂级数收敛,当 R1<R2 时,收敛域有公共部分,收敛域为:

R1<|z−z0|<R2

洛朗级数展开:在圆环域内 R1<|z−z0|<R2 内处处解析,则 f(z) 可展开为:

f(z)=∑n=−∞∞cn(z−z0)ncn=12πi∮Cf(ζ)(ζ−z0)n+1dζ

cn 为洛朗级数,注意 cn=fn(z0)n! 不一定成立,函数在给定圆环域内不一定解析,所以写系数时,只能写上面的洛朗系数,类似于解析函数的高阶导数

注意

要深入挖掘定理使用的条件

  • 洛朗级数的提出是为了在某个不解析点附近解析的圆环域的级数展开
  • 所以要尤其注意所给函数的奇点,不仅要判断函数在哪一点处(作为圆心)展开,还要注意展开的圆环域

结论:

二、洛朗级数的应用

直接展开、间接展开

圆环域上展开

例题 1

将 f(z)=1(z−1)(z−2) 在下面三个区域展开为洛朗级数
0<|z|<1 1<|z|<2 2<|z|<∞

f(z)=11−z−12−z

注意到两项的收敛半径为 R1=1R2=2

洛朗级数-1.png

  1. 当 0<|z|<1 时,两项的展开与泰勒级数无异
f(z)=11−z−12−z=11−z−12⋅11−z2=∑n=0∞zn−12∑n=0∞(z2)n
  1. 当 1<|z|<2 时,
f(z)=11−z−12−z=−1z⋅11−1z−12⋅11−z2=−1z∑n=0∞(1z)n−12∑n=0∞(z2)n
  1. 当 2<|z|<∞ 时,两项都不收敛,都需要取倒数构造,来进行洛朗级数展开
f(z)=11−z−12−z=−1z⋅11−1z+1z⋅11−2z=1z(∑n=0∞(2z)n−∑n=0∞(1z)n)
例题 2

求 f(z)=z2−2z+5(z−2)(z2+1) 在以下圆环域处的洛朗展开式?
1<|z|<2 0<|z−2|<5

洛朗级数-2.png

首先有理分式的分解:

f(z)=1z−2−2z2+1=1z−2−i(1z+i−1z−i)
  1. 当 1<|z|<2 时
f(z)=1z−2−2z2+1=−12⋅11−z2−2z2⋅11+1z2=−12∑n=0∞(z2)n−2z2∑n=0∞(−1)n(1z2)n
  1. 当 0<|z−2|<5 时
f(z)=1z−2−2z2+1=1z−2−i(1z+i−1z−i)=1z−2−i[1(z−2)+(i+2)−1(z−2)+(2−i)]=1z−2−i[1(2+i)(1+z−22+i)−1(2−i)(1+z−22−i)]=1z−2+i[12−i∑n=0∞(−1)n(z−22−i)n−12+i∑n=0∞(−1)n(z−2z+i)n]=1z−2+i∑n=0∞(−1)n(z−2)n[(1(2−i)n+1−1(2+i)n+1)]

因为 |2+i|,|2−i| 的模均为 5,而圆环域的半径小于 5,所以 :

1(z−2)+(i+2)−1(z−2)+(2−i)=1(2+i)(1+z−22+i)−1(2−i)(1+z−22−i)

保证 |z−22+i|<1|z−22−i|<1 使得级数收敛,可以展开

注意

  • 洛朗级数在哪一点展开,可以直接从题目看出,圆环域的圆心即为洛朗展开的点 z0
  • 也要注意观察分式,不要盲目地分解分式,如果分式已经为 (z−z0) 的幂的形式,那就可以整体变换了, 不要再拆分,反而更麻烦
  • 还要根据圆环域,确定表达式的范围,来构造展开的项(一定要满足模值小于 1),也要注意是上下同除系数来构造,不要漏掉系数

洛朗级数展开的证明

前置知识
f(z)=12πi(∮K2f(ζ)ζ−zdζ−∮K1f(ζ)ζ−zdζ)

对第一部分: |z−z0ζ−z0|<1

1ζ−z=1(ζ−z0)−(z−z0)=1ζ−z011−z−z0ζ−z0=1ζ−z0∑n=0∞(z−z0ζ−z0)n=∑n=0∞(z−z0)n(ζ−z0)n+1

对第二部分: |ζ−z0z−z0|<1

1ζ−z=1(ζ−z0)−(z−z0)=−1z−z011−ζ−z0z−z0=−∑n=1∞(ζ−z0)n−1(z−z0)n=−∑n=1∞(z−z0)−n(ζ−z0)−n+1