4.2 解析函数的泰勒展开 数学物理方法第四章

数学物理方法 · 4.2 解析函数的泰勒展开
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第四章 / 4.2

解析函数的泰勒展开

教材印刷页 82—87 · 本节目标 以指定中心展开函数,写明范围,并读出零点阶数。

4.2 / 01 · 本节应用

泰勒定理与解析条件

第 82 页开头:前节和这一节的区别是什么?

前节最后,我们知道:

如果已经有

那么它在收敛圆内解析,而且

这一节反过来问:

已知一个函数解析,它一定能写成这样的幂级数吗?

答案是:能,在展开中心附近一定能。

这就是泰勒定理:

展开写:

注意这里的前提:

要在 附近解析。

单独知道某个位置的一个导数存在,还不够支撑后面的全部结论。

教材还提到:实变量函数即使有任意阶导数,也未必等于自己的泰勒级数。它是在强调复解析函数的一个强性质。

这句话对做题有什么用? 它告诉你:在本章的复解析条件下,泰勒展开能真正表示原函数。首次学习不用专门研究实变量反例。

4.2 / 02 · 第82—84页

收敛范围与泰勒定理的证明

教材说:以 为中心,把圆不断扩大,直到圆周碰到函数的奇点。

对于本章常见函数,先把能消掉的因子消掉、把可补的洞补好,再找真正的奇点。于是:

展开中心到最近真正奇点的距离

泰勒展开在

中成立。

例如:

只有一个有限奇点 。

  • 在 展开:。
  • 在 展开:。

同一个函数,换展开中心,展开式和收敛半径都可能改变。

下面可以切换函数与中心。圆心是展开中心,叉号是真正的奇点:

图 4-3 泰勒展开与最近奇点

从展开中心出发,最近的奇点挡在哪里?

还有一个特别容易误会的例子:

它在整个实轴上都没有分母为零的地方,但在复平面上有:

所以在 点的泰勒展开,收敛半径仍然只有:

不能只在实轴上找奇点。

教材第 83 页的证明,看起来很长,核心可以拆成四步。

第一步:用第三章的柯西积分公式表示函数。

取一个以 为中心、包住 、内部没有奇点的圆周 :

这里:

  • 是我们要计算的点;
  • 是在圆周上跑的积分变量。

第二步:把分母配成几何级数。

因为 在圆内, 在圆周上,所以:

因此:

第三步:代回积分,把每个 前面的系数找出来。

得到:

第四步:用柯西高阶导数公式认出系数。

中括号正好等于:

于是得到泰勒展开。

教材中间估计余项的那些不等式,是为了保证上面“积分与无限求和交换”合法。余项被控制为类似:

当 时,这个上界趋于零。

这段证明为什么讲?

它解释了三件事:

  • 为什么解析函数确实能展开;
  • 为什么系数是导数除以阶乘;
  • 为什么证明要求点严格位于圆内。

掌握要求:会讲这四步的逻辑;做普通展开题时,不需要重新写一遍余项估计。

4.2 / 03 · 第84页

展开唯一性及其用途

教材接下来讲唯一性。

如果在同一个中心 附近:

那么:

所以:

同一函数在同一中心的泰勒展开是唯一的。

它对做题有什么用?

你不必每次都求一大堆高阶导数。只要通过合法运算找出了一个成立的幂级数,它就已经是泰勒展开。

例如:

既然已经成立,就不用再计算十次导数确认系数是不是 1。

教材随后把两个方向合在一起:

局部解析局部可以表示成收敛的幂级数

这里“局部”指在每个点的某个邻域中,不是说整个区域共用一个展开中心。

现在能用这个结论即可,不必把它当作另一套全新定义再背一遍。

4.2 / 04 · 第84—85页

指数与三角函数的基础展开

这三个式子对所有有限复数 都成立,收敛半径是:

你记忆时抓住结构:

  • :所有非负整数次幂;
  • :只有奇次幂;
  • :只有偶次幂;
  • 正弦、余弦交替变号;
  • 分母是对应幂次的阶乘。

加上前节的:

这四个是后面展开题最常用的出发点。

4.2 / 05 · 第85页

非零中心的分式展开

题目说“在 展开”,意味着答案必须按:

排列。

做题的第一步:把展开中心平移到零。

令:

于是:

所以:

提出常数 :

现在已经配成几何级数:

这里:

因此:

条件来自:

这道题的通用步骤是:

改写分母

这是必须练熟的计算方法。

比如习题 3(1):

令 ,则:

因此:

中心不在零的题,先换成 ,通常能让运算清楚很多。

4.2 / 06 · 第85—86页

指数与三角函数的组合展开

直接把两套无穷级数相乘也能做,但教材用了更省事的办法:

所以:

以及:

分别展开:

两式相加除以 2:

由于:

可化为:

两式相减除以 :

两个展开都在全平面成立。

这道例题要学什么?

要学“把组合函数改写成更容易展开的函数”。

这里还有一个细节: 是复数时,不要直接把 当成 的实部。 教材采用两个等式相加减,才是这里可靠的操作。

其他改写也一样好用。比如习题 2(3):

于是直接得到:

级数的平方不能把每项直接平方,交叉项不能丢。 用三角恒等式改写,就省去了处理交叉项的麻烦。

4.2 / 07 · 第86页

对数函数的展开与分支

教材讨论在 附近、取值满足 的那个解析分支。

第一轮先抓住:

复对数不同分支的值,可能相差 。展开之前,要知道你选择的是哪个分支。

从几何级数出发:

从 到 逐项积分:

所以:

换一下编号:

为什么 ?

因为距离中心 最近的真正障碍在:

其他分支只需要改变常数项:

做题掌握要求:

  • 熟记这个展开;
  • 知道它可以由几何级数积分得到;
  • 题目指定其他分支时,注意常数项;
  • 首次学习不必在这里把整个对数分支理论重新展开。

逐项积分还直接解决习题 2 的两道题:

两式都可在全平面理解为相应解析函数的积分;第二式中原点的洞可以补上。

4.2 / 08 · 第87页

零点阶数及其判别

假设:

而且 在 附近解析、不是恒等于零。

它的泰勒展开可能是:

也就是说:

那么称:

是的阶零点。

最直接的读法:

找展开式中第一个系数非零的项,它的幂次就是零点阶数。

例如教材的:

由于:

所以:

第一项是 ,因此:

是的三阶零点。

教材中接着给出两种等价判断。

判断 1:提出完整的零因子。

在解析

例如:

括号在 点不为零,因此零点恰好三阶。

判断 2:看导数第一次在哪里不为零。

它与前面的系数公式:

完全一致。

做题时选方便的判断,不必三种都做一遍。

常用模板应熟悉:

在是一阶零点在是二阶零点在是一阶零点在是二阶零点在是三阶零点

为什么零点阶数在这里必须讲?

因为下一节判断极点时,基本上就是:

分母的零点阶数分子的零点阶数

这部分对做题非常直接。

例如:

分子抵消了两阶,最后只剩二阶极点。

4.2 / 09 · 本节应用

比较系数与递推关系

这直接对应习题 4。

已知:

不必反复求导。两边乘 :

比较同次幂系数:

  • 常数项:;
  • 一次项:,所以 ;
  • 更高次项:

因此:

前五项就是:

最近的分母零点距离原点:

这类题的套路是:

先消分母,再比较同次幂系数。

习题 2(5)的 也可以这样做。设:

代入:

逐次比较系数,得到:

最近的余弦零点为 ,因此收敛半径为 。

本节自测

完成自编检查题 4—7,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。