2. Разложение функций в ряд Тейлора

Теорема 2 (о разложении аналитической функции в степенной ряд). Пусть – аналитическая функция в области , и – расстояние от до границы . Тогда в круге функция разлагается в степенной ряд

, где , (5)

называемый рядом Тейлора функции . При этом коэффициенты ряда удовлетворяют соотношениям

(6)

при любых , .

Первый отличный от нуля член ряда Тейлора называется главным членом разложения в ряд Тейлора, а его степень – порядком главного члена.

Из этой теоремы следует еще одно определение аналитической функции.

Функция называется аналитической в точке , если она разлагается в степенной ряд в некоторой окрестности точки .

Функция называется аналитической в области , если она разлагается в степенной ряд в некоторой окрестности каждой точки .

Ряды Тейлора некоторых элементарных функций:

, ; (7)

, ; (8)

, ; (9)

, ; (10)

, ; (11)

, . (12)

Формула (12) называется суммой бесконечной геометрической прогрессии и является следствием (11) при .

Пример 2.1. Разложить функцию в ряд по степеням и определить радиус сходимости ряда.

Решение. Найдем коэффициенты ряда Тейлора, пользуясь формулой (5):

.

Таким образом

.

Поскольку функция аналитична на всей комплексной плоскости, то по теореме 2 этот ряд сходится также при всех .

Пример 2.2. Разложить функцию в ряд по степеням и определить радиус сходимости ряда.

Решение. Преобразуем данную функцию:

.

Обозначим и воспользуемся разложением (12) для функции при . Получим:

.

Из условия следует, что полученный ряд сходится при , т.е. при .

Пример 2.3. Разложить функцию в ряд по степеням и определить радиус сходимости ряда.

Решение. Найдем нули знаменателя дроби: , . Так как , , то данная функция аналитична в круге как частное двух аналитических функций. Представим данную функцию в виде суммы простейших дробей:

.

Каждое слагаемое разложим в ряд по степеням , пользуясь формулой (12):

, ,

, .

Складывая полученные разложения и учитывая аналитичность функции в круге , получаем:

, .

Пример 2.4. Разложить функцию в ряд по степеням и определить радиус сходимости ряда.

Решение. Преобразуем данную функцию и воспользуемся разложением (9):

.

Полученный ряд сходится на всей комплексной плоскости, так как ряд (9) сходится при всех .

3. Ряд Лорана

Рядом Лорана называется выражение

, (13)

где , . Ряд Лорана называется сходящимся на множестве , если на этом множестве сходятся оба функциональных ряда:

(14)

и

. (15)

Суммой ряда Лорана (13) называется сумма , где и – суммы рядов (14) и (15) соответственно. Ряд (14) называется главной, а ряд (15) – правильной частью ряда Лорана. Ряд Лорана называется абсолютно сходящимся на множестве , если на этом множестве абсолютно сходятся ряды (14) и (15).

Ряды Лорана позволяют изучать функции, аналитические в кольцах , где , .

Теорема 3 (о сходимости ряда Лорана). Ряд Лорана сходится абсолютно внутри кольца , где – радиус сходимости степенного ряда (15), а – радиус сходимости степенного ряда

, (16)

если .

Теорема 4 (Лорана). Функция , аналитическая в кольце , представляется в этом кольце сходящимся рядом Лорана

,

где

, (17)

, .

Главная часть ряда Лорана сходится во внешности круга с центром в точке и радиусом , где , как и в случае степенных рядов, может быть найден (если существуют соответствующие пределы) по формулам:

(18)

или

. (19)

При эта область вырождается в в несобственную точку , а при – во всю плоскость, за исключением, возможно, .

Пример 3.1. Найти область сходимости ряда .

Решение. Найдем круг сходимости правильной части ряда, т.е. ряда . Воспользуемся формулой (4). Так как

,

то это круг . Для ряда

,

представляющего собой главную часть данного ряда,

,

поэтому его область сходимости . Исходный ряд сходится в кольце .

Пример 3.2. Разложить функцию в ряд Лорана в кольце .

Решение. Записав функцию в виде

,

замечаем, что данная функция является аналитической на всей комплексной плоскости, за исключением точек и , в которых знаменатель дроби обращается в нуль. Эти точки лежат на границе данного кольца (рис. 1).

Рис. 1

Это означает, что в самом кольце функция аналитическая и, следовательно, по теореме 4 разлагается в ряд Лорана с центром в точке . Для получения этого разложения представим функцию в виде

, где , .

Функция аналитична в большем круге . Разложим ее в ряд Тейлора с центром в точке . Преобразуем следующим образом:

.

Положим и воспользуемся разложением (12). Получим:

, .

Функция также разлагается в ряд по положительным степеням , но этот ряд сходится лишь в круге , а мы хотим разложить функцию вне этого круга. Нужно получить разложение этой функции по отрицательным степеням. Преобразуем функцию следующим образом:

.

Положим и воспользуемся разложением (12). Получим:

.

Этот ряд сходится при , т.е. при . Окончательно получаем:

, .

Пример 3.3. Найти все возможные разложения в ряд Лорана по степеням функции .

Решение. Данная функция является аналитической на всей комплексной плоскости, за исключением точек и , в которых знаменатель дроби обращается в нуль. Следовательно, по теореме 4 она разлагается в ряд Лорана в любом кольце с центром в точке , не содержащем точку . Получаем два кольца: и . Найдем разложение функции в ряд Лорана в кольце . Имеем

.

В кольце :

.

Таким образом, получены два разложения данной функции в ряд Лорана по степеням :

, ,

, .