练习 练习与解题索引 数学物理方法第四章

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第四章 / 练习

练习与解题索引

教材印刷页 103—107 · 本节目标 按题型选择方法,通过分层练习检查独立解题能力。

练习 / 01 · 教材习题

原书习题的解题方法索引

下面不是要求你把所有题同时做完,而是把每组题需要调用的知识对齐。

习题 主要做法 需要练到的程度
1 求收敛半径,再单独检查圆周 能完整写清条件
2 已知展开式的代入、乘除、求导、积分 能选出省事的改写
3 先令 ,再展开 不把中心写错
4 消分母、比较系数 能推出递推关系
带星号的 5 对生成函数求导、比较系数 先理解方法,特殊公式可后补
6 几何级数代入 ,取实部、虚部 会把实三角级数合并成复数级数
7 展开 ,取模后用三角不等式 会由级数证明估计
8、9 提取零点因子、比较阶数 会处理极限、乘积、和、商
10、11 按指定圆环选择正幂或负幂展开 看到区域就知道怎样配几何级数
12 以指定中心画同心圆,计算到奇点的距离 能写正确的展开区域
13 有限奇点逐个分类,并检查无穷远点 能判断是否孤立、能算极点阶数
14 作 ,或比较有理函数次数 不混淆零点与无穷远点
15、16 比较有限阶因子,检查抵消和孤立性 不把可能抵消的情况强行定阶

其中几种证明题,再给你说明一下怎么起手。

习题 6:三角级数为什么引入复数?

因为:

右边分母有理化:

于是取实部、虚部,就同时得到:

要学的是把两套三角运算合并成一个几何级数。

习题 7:指数函数估计怎么证明?

从:

取模:

再用 :

这就得到原题要求的不等式。

要学的是:复杂复数表达式取模后,常能被一个实数正项级数控制。

习题 9、15:和的阶数为什么不能一概而论?

乘积、商可以直接加减阶数,但相加要防抵消。

例如两个一阶零点函数:

它们相加:

零点阶数从 1 提高到了 3。

两个同阶极点也可能抵消:

所以:

  • 不同阶相加,较强的主导项通常决定结果;
  • 同阶相加,必须检查首项系数是否抵消;
  • 可能抵消到更高阶零点,也可能把极点完全消掉。

这就是题目中“讨论”的内容,不能随便给一个固定阶数。

练习 / 02 · 教材习题

四类题的书写流程

遇到一道题,先判断它属于哪一种。

要求泰勒展开:

确认中心解析改写函数套基础展开写成立范围

要求罗朗展开:

确认中心和指定圆环部分分式或其他拆分逐项决定向内、向外展开取各条件交集

要求有限奇点分类:

找候选点检查孤立性约因子、算零点阶数或作局部罗朗展开给类型和极点阶数

要求无穷远点分类:

先检查足够远处是否解析判断

基础展开式、几何级数的适用条件、零点与极点的阶数、按圆环选择展开方式,这几项需要练到能独立使用。泰勒定理和罗朗定理的长证明,先掌握它们的关键逻辑;贝塞尔函数和带星号生成函数题,先掌握“求系数、比较系数”的方法,再记具体公式。

A 基础检查

自编检查题 1

通项和部分和

判断 的敛散性。通项趋于零,为什么仍不能宣布收敛?

答案与解题依据

实部级数 收敛,虚部级数 发散,因此原级数发散。通项趋于零是必要条件,不是充分条件;收敛的定义考察部分和的极限。

自编检查题 2

两种极端收敛半径

求 和 的收敛半径。

答案与解题依据

第一式的系数比 ,所以 。第二式的系数比为 ,所以 ,只在中心 收敛。半径公式取的是系数比极限的倒数。

自编检查题 3

同一个半径与不同边界

比较 、、 在 和 的敛散性。

答案与解题依据

三个级数的半径都为 。第一式在两个点都发散,因为通项不趋于零。第二式在 发散,在 条件收敛。第三式在两个点都绝对收敛,且实际上在整个单位圆周上绝对收敛。仅凭半径不能判断边界。

自编检查题 4

换中心展开

把 在 展开,给出一般项和收敛范围。

完整步骤

令 ,则

最近奇点是 ,距离中心 为 ,与几何级数条件一致。

自编检查题 5

系数与恒等式改写

求 在原点展开时 的系数。说明为什么不能把正弦级数逐项平方。

答案与解题依据

利用 ,可得 的系数为 。平方整个和式会产生交叉项;把每一项单独平方会漏掉它们。

自编检查题 6

零点阶数

判断 和 在原点的零点阶数。

答案与解题依据

分别从 和 开始,所以零点阶数为 和 。判断的是第一个非零项的幂次,不是原式中看见的最低显式幂次。

B 方法迁移

自编检查题 7

比较系数

若 ,求 ,并说明收敛半径来自哪里。

完整步骤

两边乘 ,比较系数,得到 、。因此前六个系数是 ,故 。分母零点为 ,最近者到原点的距离是 ,这就是收敛半径。

自编检查题 8

从展开读极点

在 中展开 ,判断原点类型,并找出负一次幂系数。

完整步骤

最低非零幂次为 ,所以原点是二阶极点。负一次幂系数为 ,它也是第五章将要使用的留数。

自编检查题 9

区域决定展开

分别在 与 中展开 。外环展开有无限个负幂,能否据此断言原点是本性奇点?

完整步骤

不能。原点本来就是解析点。奇点分类必须使用贴着该中心的去心邻域展开,不能使用远离中心的外环展开。

自编检查题 10

抵消后的真实阶数

判断 在原点的类型,并写出主部。

完整步骤

原点是三阶极点。主部是 ;缺少二次负幂并不改变三阶极点的结论。负一次幂系数为 。

自编检查题 11

幂次平移与本性

判断 在 和 的类型。

完整步骤

在 附近,展开为 ,仍有无限多个非零负幂,因此是本性奇点。

在无穷远点,令 ,得到 ,故无穷远点是二阶极点。

自编检查题 12

取倒数前检查孤立性

在原点是本性奇点,为什么不能直接宣布 在原点也为孤立本性奇点?

答案与解题依据

分母在 有零点。这些点趋于原点,取倒数后变成一串极点。因此原点的任意去心邻域都含其他奇点,原点是非孤立奇点。先验孤立性,再用三分法。

C 综合判断

自编检查题 13

无穷远点的四种情况

分别判断 、、、 在无穷远点的类型。

答案与解题依据

第一式可去,补值为 。第二式代换后为 ,在 解析且值为 ,所以无穷远点可去。第三式有极点 逃向无穷远,所以无穷远点非孤立。第四式代换后为 ,无穷远点可去,补值为 。

自编检查题 14

相加可能抵消

设 ,。判断 、 的零点阶数和 在原点补好后的值。

完整步骤

,所以是三阶零点。两函数各有二阶零点,乘积是四阶零点。商约去 后为 ,在原点补值为 。两个相同阶零点函数的和,不一定保持原阶数。

自编检查题 15

极点相加也可能降阶

设 ,。判断 、、 在原点的类型。

完整步骤

,原点为一阶极点。乘积最低幂次为 ,且系数非零,所以是四阶极点。商可写成 ,原点可去,补值为 。相同阶极点相加时必须检查主部抵消。

自编检查题 16

一题串起零点展开和奇点分类

研究 。求有限奇点类型,在原点附近写出前三个非零项,并判断无穷远点。

完整步骤

分子在 有二阶零点,分母在 有三阶零点,因此原点是一阶极点。在 ,分子为 ,分母有一阶零点,所以也是一阶极点。

在 中:

展开中心是 ,外边界由另一个奇点 决定。无穷远点是孤立的;代换后 乘有限阶因子,再减去有限阶项,仍有本性奇异性,因此无穷远点为本性奇点。

完成标准

基础题 1—6 应当能独立写出条件和理由;迁移题 7—12 应当能解释为什么选这种展开;综合题 13—16 应当先检查孤立性,再给出类型和阶数。把“只差一步”的题标出来,定位是中心、区域、系数、零点阶数还是定义前提出了问题。

教材带星号的勒让德生成函数题和贝塞尔函数例题,第一轮优先学会求导后比较系数的办法。后续课程用到具体特殊函数时,再集中熟记它们的公式。

本节自测

完成自编检查题 16,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。