22352

Представление аналитических функций рядами

Лекция

Математика и математический анализ

Ряды Тейлора. при каких условиях функция представима своим рядом Тейлора с центром в точке : 4 даёт Теорема 1 Коши. Функция представима своим рядом Тейлора 4 в любом открытом круге с центром в точке в котором она аналитична.

Русский

2013-08-04

464 KB

13 чел.

Представление аналитических функций рядами.

Ряды Тейлора.

Воспользуемся формулой для суммы членов геометрической прогрессии

,

перепишем её в виде:

                                     (1)

(формула справедлива и для комплексных ).

Зафиксируем некоторую точку  из области  аналитичности функции  и, воспользовавшись формулой (1), напишем

Умножим обе части этого равенства на  и проинтегрируем его по  вдоль некоторого замкнутого контура C, лежащего в  и охватывающего точки  и . Пользуясь формулой Коши и формулами для высших производных (), получим так называемую формулу Тейлора

,                     (2)

где остаточный член имеет вид

.                                     (3)

Ответ на вопрос о том, при каких условиях  при , т.е. при каких условиях функция  представима своим рядом Тейлора с центром в точке :

,                                             (4)

даёт

Теорема 1 (Коши). Функция  представима своим рядом Тейлора (4) в любом открытом круге с центром в точке , в котором она аналитична. Во всякой замкнутой области, принадлежащей этому кругу, ряд Тейлора сходится равномерно.

Доказательство. Обозначим через  радиус круга аналитичности функции  (с центром в точке ) и рассмотрим произвольное число ,  и круг , где  - произвольное положительное число. Пусть  - любая точка последнего круга и  - окружность . Имеем: , , следовательно,

,

поэтому формула (3) даёт:

;

где  - максимум модуля  в круге  (функция  аналитична в этом круге и, следовательно, ограничена). Т.к. , то отсюда видно, что  при , причём оценка  не зависит от ; таким образом, в любом круге , где , ряд Тейлора сходится равномерно.

Произвольную замкнутую область, лежащую в круге аналитичности функции , можно погрузить в некоторый круг , где , , следовательно, и в такой области ряд сходится равномерно. Ч.т.д.

Таким образом, всякая аналитическая в круге функция представляется в нём сходящимся степенным рядом.

Степенные ряды.

 

            Теорема 2 (Вейерштрасса). Если ряд

,                                                         (5)

составленный из функций, аналитических в односвязной области , равномерно сходится в этой области, то его сумма также является функцией, аналитической в .

Доказательство. В самом деле, согласно предыдущей лекции, сумма  ряда (5) непрерывна в . Пусть  - произвольный замкнутый контур, лежащий в ; в силу равномерной сходимости ряда (5) его можно почленно проинтегрировать вдоль  и мы получим, что

,

т.к. по теореме Коши интеграл от аналитической функции  по замкнутому контуру в односвязной области равен нулю. Теперь по теореме Мореры можно утверждать, что функция  аналитична в области . Ч.т.д.

Теорема 3 (Вейерштрасса).  Произвольный ряд (5), составленный из функций, аналитических в области  и непрерывных в , равномерно сходящийся в , можно почленно дифференцировать в  любое число раз.

Доказательство. Пусть  - произвольная точка границы  области , а  - произвольная внутренняя точка этой области. Т.к. разность  при фиксированном  ограничена снизу по модулю положительным числом, то ряд , где  - произвольное натуральное число, сходится равномерно относительно  на . Следовательно, его можно почленно интегрировать вдоль , и значит, сходится ряд

                                       (6)

(для каждого члена ряда мы воспользуемся формулой Коши для производных). Остаётся доказать, что сумма ряда (6) является -ой производной суммы  ряда (5). Но в силу равномерной сходимости левую часть формулы (6) можно записать в виде

.

Ч.т.д.

Замечание 1. Если ряд (5) из аналитических функций равномерно сходится на границе  области , то он равномерно сходится в . (Это непосредственно следует из принципа максимума модуля, согласно которому

).

Замечание 2. В теореме 3 можно утверждать сходимость ряда из производных лишь в , но не в . Например, ряд  равномерно сходится в замкнутом круге , т.к. он мажорируется там сходящимся числовым рядом . Однако, ряд производных  (сходящийся по теореме 3 при ) расходится в точке  границы круга.

Теорема 4 (Абеля). Если степенной ряд  сходится в точке , то он сходится и в любой точке , расположенной ближе к центру , чем , причём в любом круге , где  сходимость ряда равномерна.

Доказательство. Пусть  - произвольная точка этого круга. Представим -й член ряда в виде

.

В силу сходимости ряда в точке  его общий член стремится к нулю и, следовательно, ограничен в этой точке, т.е.  для всех . Кроме того, по условию . Таким образом, для всех

, .                                        (7)

Отсюда вытекает равномерная сходимость ряда в круге . Т.к. число  может быть взято сколь угодно близким к 1, то тем самым доказана сходимость ряда в любой точке круга  и доказательство теоремы Абеля закончено.

Из теоремы Абеля вытекает, что областью сходимости степенного ряда  является открытый круг с центром в точке  (который может вырождаться в точку или заполнять всю плоскость) и ещё, быть может, некоторые точки на границе круга. Радиус этого круга называется радиусом сходимости степенного ряда.

Теорема 5 (Формула Коши-Адамара). Для радиуса  сходимости степенного ряда  имеет место формула:

,                                                     (8)

где  означает верхний предел.

Доказательство. Нужно показать, что при любом , для которого ,  ряд сходится, а для всех , для которых  этот ряд расходится.

По определению верхнего предела для любого  существует  такое, что при :

.

Выберем  таким, чтобы было

(для этого нужно взять ). Тогда при  и  будем иметь:

.

Т.к. , то по теореме сравнения ряд, составленный из членов левой части, сходится.

Из определения верхнего предела далее имеем, что для любого  найдётся бесконечная последовательность , для которых , т.е.

.

Но при  всегда можно подобрать  так, чтобы было  (т.е. взять ). Тогда для нашей последовательности , соответствующей этому , члены  будут неограниченно возрастать и, следовательно, степенной ряд будет расходиться (его общий член не стремится к нулю). Ч.т.д.

Теорема 6. Сумма любого степенного ряда в круге его сходимости является аналитической функцией.

Доказательство. Пусть  - круг сходимости нашего степенного ряда. В любом круге , где , по теореме Абеля сходимость равномерна, а т.к. члены ряда  - аналитические функции, то по теореме Вейерштрасса его сумма аналитична в этом круге. Но т.к. любая внутренняя точка  круга сходимости может быть погружена в некоторый круг , где , то тем самым доказана аналитичность суммы ряда во всём круге его сходимости. Ч.т.д.

Теорема 7. Любой степенной ряд (в круге его сходимости) является рядом Тейлора своей суммы.

Доказательство. В самом деле пусть в некотором круге

.                                              (9)

Полагая здесь , получим . Последовательно дифференцируя ряд (9) почленно и полагая затем , найдём:

, , ,…,,…

Таким образом,

,                                                    (10)

т.е. ряд (9) действительно является рядом Тейлора функции . Ч.т.д.

Теорему 7 называют теоремой единственности разложения в ряд Тейлора, т.к. из неё следует, что найденное любым способом разложение аналитической функции  в степенной ряд является тейлоровским разложением этой функции.

Кроме того, из этой теоремы и теоремы Коши о разложении Тейлора следует, что радиус сходимости ряда (9) совпадает с расстоянием от центра  до ближайшей точки, в которой нарушается аналитичность суммы  этого ряда.

Теорема единственности.

 Нулём функции  называют любую точку , в которой  принимает значение 0, т.е. .

Если аналитическая функция не равна тождественно нулю в окрестности своего нуля , то в её тейлоровском разложении с центром в  все коэффициенты не могут равняться нулю. Номер младшего отличного от нуля коэффициента этого разложения называется порядком нуля . Таким образом, в окрестности нуля порядка  тейлоровское разложение функции  имеет вид

,                                   (1)

где  и .

 Порядок нуля  можно определить также как порядок младшей отличной от нуля производной .

Очевидно, что в окрестности нуля порядка  аналитическая функция  допускает представление вида

,                                                 (2)

где функция

;                               (3)

также аналитична в окрестности точки  (т.к. она представима сходящимся степенным рядом).

В силу непрерывности (z) эта функция отлична от 0 и в некоторой окрестности точки . Отсюда следует

Теорема 1. Пусть функция  аналитична в окрестности своего нуля  и не равна тождественно 0 ни в какой его окрестности. Тогда существует окрестность точки , в которой  не имеет других нулей, кроме .

Из доказанной теоремы вытекает теорема единственности теории аналитических функций.

Теорема 2 (единственности). Если функции  и  аналитичны в области  и их значения совпадают на некоторой последовательности точек ,сходящейся к внутренней точке a области, то всюду в

.

Доказательство. Для доказательства рассмотрим функцию

.

Она аналитична в  и имеет своими нулями точки , а в силу непрерывности и точку , ибо . Отсюда следует, что  тождественно равна 0 в некоторой окрестности точки , т.к. в противном случае нарушалась бы теорема 1. Таким образом, множество всех нулей функции  имеет хотя бы одну внутреннюю точку.

Обозначим через  совокупность всех внутренних точек множества нулей функции . Если  совпадает с , то теорема доказана. Если же  составляет лишь часть области , то найдётся граничная точка  множества , являющееся внутренней точкой . Существует последовательность точек , сходящаяся к ; точка  в силу непрерывности  является нулём .

С другой стороны,  не равна тождественно нулю ни в какой окрестности точки , ибо тогда точка  была бы внутренней, а не граничной точкой множества . По теореме 1 отсюда вытекает, что в некоторой окрестности точки  нет ни одного нуля , но это противоречит тому, что  является граничной точкой . Полученное противоречие и доказывает теорему.

Из теоремы единственности вытекает, что аналитическая в некоторой области и не равная тождественно нулю функция  не может обращаться в нуль ни в какой подобласти из , ни на какой дуге, лежащей в , ни даже на последовательности точек , сходящейся к её внутренней точке.

Однако легко привести пример, когда бесконечная последовательность нулей функции сходится к граничной точке её области аналитичности: функция  обращается в нуль на последовательности точек

, ,

сходящейся к точке .

  

 

  Верхним пределом последовательности действительных чисел  называется число  такое, что: 1) существует подпоследовательность  и 2) каково бы ни было , найдётся такой номер , что  для всех .


Если , то условие 2) отпадает, а при  число  в нём заменяется произвольным числом (в последнем случае условие 1) выполняется автоматически и существует ). Можно доказать, что всякая последовательность  имеет единственный (конечный или бесконечный) верхний предел.

6


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53328. Вечірки і свята 144 KB
  Розвиваюча: Розвивати фонематичний слух учнів, здатність до імітації, якість вимовних навичок і довготривалу, короткотривалу, слухову пам’ять, слуховий контроль, здатність самостійно планувати мовний вчинок, уяву, здатність до здогадки; вміння логічно, послідовно висловлювати думки ІМ, культуру читання.
53329. Улюблені свята 85 KB
  My name’s Tanya. I live in Ukraine. We celebrate many holidays in our country. I should say I like all of them. Celebrating is my joy. I love greeting guests at my home. I like cooking something tasty. Guests come to share the joy of the day. Sometimes we make presents or surprises for each other. It’s great. Now tell me what holidays you like to celebrate.
53330. Spring holidays 72.5 KB
  (The class is decorated. There is a big wreath of flowers on the wall, it is written - Spring is coming. There are many childrens drawings and placards about spring. On the blackboard there is a map of the travelling over the spring forest. Prince and princess come in.)
53331. Національні свята в США та в Україні 123.54 KB
  The topic of our lesson is National Holidays in Ukraine and in the USA. Holidays are special days of celebration that form an important part of every countrys culture. American and Ukrainian holidays come throughout the year and in all varieties. Today you will learn about the different types of holidays that Ukrainians and Americans celebrate.
53332. Праздники 50 KB
  New Years Day is the most favourite of all holidays in Ukraine. We give New Year presents; children receive their presents under the New Year’s Tree on the morning of the 1st of January. The main folk heroes of this holiday are Father Frost (Did Moroz) and his granddaughter Snigurochka (The Snow Girl).
53333. Сорбционные явления в вакууме 728.5 KB
  Процесс поглощения газов или паров твердыми телами, независимо от того, происходит ли он на поверхности или в объеме твердого тела, называется сорбцией. Поглощение газа на поверхности твердых тел называется адсорбцией. Движущей силой адсорбции является снижение поверхностной энергии в твердом теле.
53334. Немає кращого місця ніж вдома 883 KB
  T: Good morning dear children. Cl: Good morning dear teacher T: How are you? CL: We are fine. T: Sit down, please. 1.2 Мотивація. Очікувані результати T: English people say “There is no place like home”. Dear friends, I believe that today we’ll have a pleasant lesson because we are going to speak about our homes and flats.