4.1 幂级数 数学物理方法第四章

数学物理方法 · 4.1 幂级数
章节目录

第四章 / 4.1

幂级数

教材印刷页 78—82 · 本节目标 求收敛半径,区分收敛与绝对收敛,并检查边界。

4.1 / 01 · 第78页

本章任务与级数的用途

教材开头说,要讨论解析函数的两种级数展开式,并用它们研究解析函数。

这里的“级数展开”,你先理解成:

把一个函数,写成无穷多个比较简单的项相加。

例如:

左边是一个分式,右边是一串幂。

这样做有什么用?

因为右边把函数的结构摊开了。以后我们能从展开式里直接读出:

  • 某一项的系数;
  • 函数在某点附近首先出现的是几次幂;
  • 一个分母为零的地方,到底能不能补上;
  • 第五章计算留数时需要的那个系数。

所以,这章真正要练的是“把函数改写成便于观察和计算的形式”。

但改写之前有个问题:

无穷多个东西相加,究竟能不能得到一个确定的数?

4.1 就在解决这件事。

4.1 / 02 · 第78页

复数项级数和部分和

教材中先写:

然后写:

这里没有新的复数运算,就是把一串复数依次相加。

例如:

不过,“一直加下去”还不是一个严格的定义。

我们能实际算的是前面有限项的和:

一般写成:

这叫作部分和。

然后考察:

这一串数最终有没有趋近一个固定的、有限的复数。

如果:

就称原来的级数收敛,它的和就是 。

应当区分下面两个对象:

对象 意思
第 个加进去的数
加完前 个数以后的总结果

级数收敛,检查的是 有没有极限。

这是这一定义的核心。

看下面的图。每加一项,部分和就在复平面上走一步。可以调公比和已加项数:

图 4-1 复数部分和的运动

部分和:加完前 N 项,走到了哪里?

部分和轨迹× 极限位置(存在时)

当公比是 时,每一步会转向,而且长度越来越短,部分和趋近一个固定位置。

当公比是 时,部分和依次经过:

一直循环,不能稳定到一个位置。

注意:在有限范围里打转,也可能发散。“没有越跑越远”不等于收敛。

这一段的掌握要求:你要能解释“部分和是什么”“收敛检查谁的极限”。不用背定义原话。

4.1 / 03 · 第78页

实部与虚部的收敛判别

因为:

所以:

意思是:

所有实部加在一起,所有虚部加在一起。

一个复数要趋近固定位置,它的横坐标和纵坐标都必须趋近固定数。

因此:

收敛和都收敛

这里的 是“当且仅当”:两个方向都成立。

例如,教材中第 79 页例 1:

拆开以后:

实部虚部

实部收敛,但虚部是发散的调和级数,所以原级数发散。

不能因为“一半收敛”,就认为整个复数级数收敛。

它就像平面上的点:横坐标稳定了,纵坐标还在变化,点仍然没有稳定下来。

做题怎么用:看见实部、虚部能方便拆开时,就用这个定理。通常不需要硬算整个部分和。

4.1 / 04 · 第79页

通项趋零的必要条件

教材中写:

收敛

为什么?

因为:

如果前后两个部分和都趋近同一个数 ,那么:

它的直观意思是:

如果最后已经快到终点了,每次再迈出去的那一步,必须越来越短。

但是,每一步越来越短,不保证总路程会稳定。

最典型的反例:

通项 ,总和却发散。

如果你忘记它为什么发散,可以这样分组:

其中:

下一组:

后面每一组都至少贡献 ,所以总和无法稳定为有限数。

做题时,正确用法是:

发散

而当你发现 时,还没判断完,必须接着找别的方法。

这一点必须熟练。 后面检查收敛圆周,经常就靠它直接判发散。

4.1 / 05 · 第79页

绝对收敛与条件收敛

教材中的定义是:

如果:

收敛,那么称:

绝对收敛。

这里“取模”的作用是,把方向去掉,只保留每一步的长度。

例如:

由于 ,所以:

于是:

收敛,因此原级数绝对收敛。

教材中后面接着给出:

绝对收敛收敛

为什么这个条件这么好用?

因为“总共走过的长度有限”,足以保证部分和最终趋近一个位置。你不必依赖不同方向之间的抵消。

但反过来不一定成立。比如:

收敛,而取绝对值以后变成:

发散。

这种“本身收敛,但不绝对收敛”的情形,叫作条件收敛。

因此,看到一道收敛判断题,你至少要分清:

结论 需要满足什么
绝对收敛 收敛
条件收敛 收敛,但 发散
发散 本身就不收敛

特别注意:

发散

只能说明“不绝对收敛”,不能直接宣布原级数发散。

原级数仍可能通过正负或方向抵消而收敛。

教材这一页还给了一个定理:

绝对收敛都绝对收敛

它来自:

以及:

这几行为什么要讲? 它保证了“整体取模”和“拆成实、虚部取绝对值”两种做法能互相对应。

现在掌握到什么程度:会取模、会判断“绝对收敛推出收敛”,并记住反向推不回来。上面几条不等式能看懂即可,不需要单独背一份证明。

4.1 / 06 · 第79页

几何级数及其成立范围

教材中讨论:

这一题你必须吃透,因为后面许多展开都靠它。

先求前 项的和:

两边乘 :

相减:

当 时:

然后才考虑 。

情况 1:。

这时:

所以:

而且:

也收敛,所以这里是绝对收敛。

情况 2:。

这时:

通项连零都不趋近,因此级数发散。

于是得到完整答案:

:绝对收敛,和为:发散

后续反复使用的是这个模板:

这里的 可以是一整个表达式。

例如:

就有:

公式与成立条件必须一起写。

举个很能暴露错误的例子:如果把 直接代入,就会写成:

这当然不成立。问题出在:你把一个只对 成立的等式,用到了范围外。

展开题中,条件是答案的一部分。

4.1 / 07 · 第80页

幂级数的中心与系数

教材写:

先分清三个角色:

符号 角色
固定的展开中心
每一项前面的固定系数
可以变化的自变量

和 虽然都用了字母 ,却是不同的东西。

例如:

就是一个幂级数。

它的:

如果固定一个 ,比如 ,就变成:

也就是前面讨论过的普通复数项级数。

所以:

幂级数的特点,是同一个表达式中, 可以取不同值。

某些 代进去收敛,某些 代进去发散。我们现在要找的是:

到底哪些 可以让它收敛?

如果在某个范围内收敛,每个 都对应一个和,这就得到了教材中所说的和函数:

“和函数”只是“把这一串加起来得到的函数”,没有额外神秘的含义。

还有一个容易漏掉的事实:

在中心 ,它一定收敛,和就是 。

因为其余所有含正次幂的项都变成零。

4.1 / 08 · 第80页

阿贝尔定理与收敛圆结构

这一页的定理分两条。

第一条:

如果幂级数在某点 收敛,那么在所有比 更靠近中心 的点,都绝对收敛。

写成:

收敛

则:

绝对收敛

这里比较的是到中心的距离。

例如,中心在 ,已知在 收敛。

由于:

所以整个:

里面都绝对收敛。

它保证了一整块圆形区域,远远超过“实轴上某一段”。

为什么成立?教材下面那一长段证明,核心只有这一步。

已知:

收敛,那么它的通项趋于零,所以这些通项的模有一个共同上界 :

现在选一个更靠近中心的 ,令:

于是:

右边的:

是收敛的几何级数,所以左边取模后的级数也收敛。

证明完成。

你可以把这个过程理解为:

向圆心靠近以后,第 项多乘了一个 。因为 ,这个因子会越来越小,把它压进一个收敛的几何级数里。

为什么要讲这段证明?

因为它解释了:幂级数的收敛范围为什么由“距离”决定,以及圆内为什么能保证绝对收敛。这正是后面收敛圆的依据。

掌握要求:理解“用 控制通项”的思路。首次学习不必默写教材中整段证明。

定理第二条:

如果在某个点发散,那么比这个点离中心更远的所有点都发散。

原因也很直接:假如外面某点收敛,按第一条,里面这个点就应该绝对收敛,产生矛盾。

但是,同样远的点,不能靠这两条定理互相判断。

这个细节马上就会影响做题。

4.1 / 09 · 第81页

收敛半径的计算

前面说明,幂级数的收敛情况有一个圆形结构。

这个圆的半径,叫作收敛半径,记作 。

当 时:

绝对收敛发散需要单独判断

最重要的是第三行。

收敛半径把“圆内”和“圆外”分开了;圆周上的结论,还没有给你。

另外两种特殊情况:

  • :所有有限的复数 都能使它收敛。
  • :只有中心 收敛。

教材这一页先借助实幂级数解释复幂级数。这段的作用,是把实变量中熟悉的收敛半径推广到复平面。

做本章计算题时,你不必每次再绕回实幂级数。直接使用上面三行结论即可。

收敛半径怎么求?

对:

如果相邻系数的比值可用,并且极限存在:

那么:

这里约定:

教材中还给出根值形式:如果相应极限存在,

同样有:

先优先练比值形式,通常比较好算。

为什么要取倒数?

因为整个通项取模后的相邻比值是:

极限为:

比值小于 1 时收敛,因此要求:

即:

所以半径就是 。

这里有两个做题提醒:

  1. 代入公式的是系数 ,别把中心 混进去。
  2. 如果系数中有很多零,导致相邻比值没法算,就换方法;不要硬除。例如 ,直接把它看成公比为 的几何级数即可。

4.1 / 10 · 本节应用

收敛圆周上的三种情形

原题的三个级数是:

先看第一个:

于是:

所以:

第二个系数都是 1,显然也是:

第三个:

因此还是:

半径算完了,接着检查圆周 。

第一个:。

在圆周上:

而:

收敛,所以整个圆周上都绝对收敛。

如果你暂时忘了它为什么收敛,可以用:

右边相加会大量抵消,总和有上界。

因此,第一个级数:

都绝对收敛;发散

第二个:。

在圆周上:

通项不趋于零,所以整个圆周上都发散。

因此:

绝对收敛;发散

第三个:。

取圆周上的两个点,就足以完成教材中“举例说明”的要求。

在 :

发散。

在 :

是交错调和级数,收敛。

但取模后:

发散,所以这里是条件收敛。

因此,同一个圆周上,已经同时找到了收敛点和发散点。

把下面图中的距离调到 ,切换级数与方向,就能看到这些差别:

图 4-2 收敛圆与圆周判别

同一个收敛半径,圆周上会有三种情况

以后做题,“求收敛半径”和“讨论完整收敛范围”要分清。 后者可能还需要检查边界;复平面的边界是一整个圆周。

4.1 / 11 · 第82页

逐项求导与逐项积分

教材现在讨论:

它告诉你,在收敛圆内部,可以把每一项分别求导:

还可以继续求高阶导数:

这串系数看着长,其实就是普通求导:

这段为什么必须讲?

因为它允许我们从已经知道的展开式,制造新的展开式。教材中习题 2 的第(6)题就直接用它。

从:

两边求导:

再乘 :

一道展开题就做完了。

你需要学会这种操作:

看见待展开函数与某个熟悉函数存在求导、积分或乘除关系,就从熟悉的展开式出发。

教材中还说可以逐项积分。例如从中心 积到 :

这里的 只是积分时使用的变量,避免和终点 混淆。

例如:

后面学习对数函数展开时,就会用上这个思路。

现在的掌握要求:

  • 会逐项求导、积分;
  • 处理正确幂次、系数和求和起点;
  • 记住上述操作在收敛圆内部成立。

不要未经检查,就把圆内的操作延伸到圆周上。

4.1 / 12 · 第82页

系数与高阶导数

教材中最后给出:

它说得很快:“在前面的式子里令 即得。”

我们把这一步展开。

先写:

代入 ,所有正次幂都消失:

求一次导:

再代入 :

求两次导:

代入 :

所以:

同理:

一般就有:

因此:

原理就是:求 次导,再代入中心,恰好把第 项的系数单独留下。

比它次数低的项,已经被求导求没了;次数高的项,仍含有 ,代入后变成零。

这一段还告诉你:幂级数的和函数在收敛圆内解析。这里“解析”沿用前面的定义,指函数在邻域中具有复导数。

这段为什么要讲?

它是下一节泰勒展开的入口:

但到这里,我们证明的方向是:

如果一个函数已经表示成幂级数,那么它的系数一定由这些导数决定。

下一节要进一步回答:

一个解析函数,是否一定能写成这样的幂级数?能在哪个范围内写?

这就是 4.1 和 4.2 的衔接。

4.1 / 13 · 本节应用

本节掌握标准

暂时以本章习题为标准,下面这些要能独立完成:

  1. 分清通项 和部分和 。
  2. 会用“通项不趋于零”直接判发散。
  3. 分清收敛、绝对收敛、条件收敛。
  4. 熟练使用
  1. 能从幂级数中认出中心、系数,求收敛半径,并按题目要求检查边界。
  2. 会逐项求导、积分,理解

阿贝尔定理和收敛圆结构的证明,先理解关键逻辑,不要求第一次就能复现教材全部文字。 几何级数、收敛半径和适用条件,则必须练到会算。

衔接下一节:本节说明幂级数的和函数在圆内解析,并能由导数恢复系数。下一节反过来证明:解析函数能够展开成这样的幂级数。

本节自测

完成自编检查题 1—3,先独立作答,再展开解析核对方法与条件。

来源与使用说明

依据严镇军《数学物理方法》复变函数部分第四章及本次完整讲解重新编排。正文对应书中第78—103页,原书习题对应第103—107页;在用户提供的教材扫描PDF中,文件页序等于印刷页码加6。自编检查题与原书习题分开编号。

讲义保留定义、定理条件、证明主线、例题步骤与适用范围。教材第94页参数化积分的系数按推导更正为1/(2π);第101页涉及本性奇点取倒数与商时,补充去心邻域非零及孤立性条件。具体说明见4.3与4.4。

整理日期 2026年10月15日。公式、图形、样式与交互均内嵌,可离线阅读。打印时自动展开答案,并使用静态矢量图。