Лекция 6.

§11. Степенные ряды.

1.Теорема Абеля. Следствия теоремы Абеля.
2. Теорема Тейлора.

Степенным рядом назовем ряд вида cn(z-z0)n, z0 -центр, c n - коэффициенты заданные комплексные числа. При z= z 0 ряд сходится. Это может быть как единственная точка сходимости n!zn , а также ряд может сходится на всей комплексной плоскости zn /n!. При исследовании степенного ряда важно установить область его равномерной сходимости. Как будет показано далее, область сходимости степенного ряда определяется видом его коэффициентов c n.

1. Теорема Абеля.

Теорема Абеля. Если степенной ряд cn(z-z0)n сходится в точке z 1 z0 , то он сходится и при " z: |z-z0|<|z1-z0 |, причем в круге |z-z 0| r <|z1-z0| сходится равномерно.
Доказательство. В силу необходимого условия сходимости ряда $ A>0 : для " n |cn(z1-z0)n|<A =>|cn|<A/|z1-z0|n =>|cn(z-z0)n|<A|(z-z0)/(z1-z0)|n . По условию теоремы |(z-z 0)/(z1-z0)|=q<1=>|cn(z-z0)n|<Aqn => ряд сходится. При |z-z 0| r <|z1-z0 | ряд сходится равномерно по мажорантному признаку Вейерштрасса т.к. |cn(z-z0)n|A| r /(z1-z0)|n < Aqn , q<1 n .

Следствия теоремы Абеля.
1.    Если степенной ряд расходится в точке z2 z0 , то он расходится и при " z: |z-z0|>|z2-z0 |. (Предполагая противное, получим, что по тереме Абеля ряд должен сходится в " круге радиуса r <|z-z0 |, в частности и в точке z 2 , что противоречит условию.).
2. Круг сходимости. Радиус сходимости. Рассмотрим s up|z1-z0 |=R для " z1 , где ряд сходится- точную верхнюю грань расстояний от точки z 0 до точек z 1 в которых сходится ряд cn(z-z0)n . Если R, то для " z2: |z2-z0 |>R ряд расходится. R=inf|z 2-z0 |=R для
" z2 , где ряд расходится. ПустьR>0, тогда наибольшей областью сходимости степенного ряда является круг |z-z 0|<R - круг сходимости степенного ряда, число R>0- радиус сходимости степенного ряда. Внутри круга сходимости ряд сходится, вне- расходится, в точках границы |z-z0 |=R   может как сходиться, так и расходиться.
3.Формула Коши-Адамара. R=1/L, L=
Доказательство. Пусть 0<L<. Имеем:
1) Т.к. L=, то для " e>0$ N, что для " n> N <L+ e .
2) С другой стороны, для того же "e>0 $ много членов последовательности {}: >L- e .
Надо доказать:
a) Для " z1: |z1-z0 |<R=1/L (или что то же самое L|z 1-z0 |<1) ряд сходится.
b) Для " z2: |z2-z0|>R=1/L (L|z1-z0 |>1) ряд расходится.
Докажем это.
a) Возьмем произвольную z 1: L|z1-z0 |<1 и выберем e =(1-L|z1-z0|)/2|z1-z0 |, тогда
L+ e =(1+L|z1-z0|)/2|z1-z0 |. Т.к. для " n>N:<L+ e =>|z1-z0|<(1-L|z1-z0|)/2=q<1.=> |cn(z1-z0)n|<qn - ряд сходится.
b) Выберем e =(L|z2-z0|-1)/|z2-z0| => L- e =1/|z2-z0 |. Т.к. длячисла членов >L- e => |z2-z0|>1=> |cn(z2-z0)n |>1- ряд расходится. n
Случай L=0 "e>0$ N, что для " n>N < e . Положим для " z и 0<q<1  e =q/|z-z0| =>|z-z0|<q =>|cn(z1-z0)n|<qn - ряд сходится для " z, т.е R==1/0=1/L.
Случай L=: для " M > 0$ много членов { }: >M. "e>0$ N, что для
" n>N < e . Положим для " zz0 иq>1 M=q/|z-z0| => $ много членов |z-z 0|>1 =>|cn(z1-z0)n |>1- ряд расходится для " zz0 , т.еR=0=1/ =1/L
4.    В " круге |z-z 0| r <R степенной ряд сходится равномерно. =>  По теореме Вейерштрасса cn(z-z0)n=f(z)C(|z-z0|<R).
5.    По теореме Вейерштрасса степенной ряд внутри круга сходимости можно дифференцировать и интегрировать почленно любое число раз. При этом радиус сходимости не меняется !
6.  cn(z-z0)n=f(z)=> c0=f(z0), cn+1(n+1)(z-z0)n=f'(z)=> c1=f'(z0)…
cn+k(n+k)!(z-z0)n=f(k)(z)=> ck=f(k)(z0)/k!
7.    Пример. (z-z0)n : " cn=1 => R=1. Sn=[1-(z-z0)n+1]/[1-(z-z0)]; |z-z0 |<1 и  Sn=1/[1-(z-z0)]. => (z-z0)n=1/[1-(z-z0 )]- Формула суммы бесконечной геометрической прогрессии.
Итак  cn(z-z0)n=> f(z)C(|z-z0 |<R). Можно ли функции, аналитической внутри некоторого круга, сопоставить степенной ряд, сходящийся в этом круге к данной функции?
Ответ на этот вопрос дает

2. Теорема Тейлора.

Теорема Тейлора. Если f(z) C(|z-z0 |<R), то $! степенной ряд  cn(z-z0)n =>f(z) при |z-z 0|<R.
Доказательство . Возьмем " z: |z-z0 |<R и построим C R' с центром в точке z 0 и содержащую точку z внутри: 
для "xО CR' : | x -z0|=R', R'<R, | x -z0|>|z-z0 |. 
Т.к. f(z) C(|z-z0|<R' ), то по формуле Коши
f(z)= ;
 1/( x -z)=1/[( x -z0)-(z-z0)]= ряд сходится равномерно по x на C R'=>f(z)=(z-z0)n=cn(z-z0)n;

cn==f(n)(z0 )/n!, что и доказывает $ и единственность разложения. n
Замечания. 1 ) Разложение функции f(z)= cn(z-z0)n называют разложением функции в ряд Тейлора.
2)
По теореме Коши cn= , где C- произвольный кусочно-гладкий контур, содержащий внутри себя точку z 0.

Назад       Вверх       Вперед

Hosted by uCoz