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洛朗级数怎么展开

原创2025-08-11 12:47:30

洛朗级数展开是将一个复变函数表示为幂级数的一种方法,其一般形式为:

$$f(z) = \sum_{n = -\infty}^{\infty} a_n (z - z_0)^n$$

其中,$a_n$ 是函数的洛朗系数,$z_0$ 是展开的中心点。以下是展开洛朗级数的基本步骤:

确定展开中心点 $z_0$

通常选择函数的奇点或留数的极点作为展开中心点。

计算洛朗系数 $a_n$

利用留数定理计算系数 $a_n$,公式为:

$$a_n = \frac{1}{2\pi i} \oint_C f(z) z^{-n-1} dz$$

其中,$C$ 是以 $z_0$ 为圆心,包含所有奇点的简单闭曲线。

确定级数形式

根据计算出的 $a_n$ 确定洛朗级数的形式。

确定收敛域

对于正指数幂部分,需要确定级数关于 $z - z_0$ 的幂级数的收敛域。

对于负指数幂部分,需要确定级数关于 $1/(z - z_0)$ 的幂级数的收敛域。

取两者的交集作为整个洛朗级数的收敛域。

示例

假设我们有一个函数 $f(z) = \frac{1}{z(z - 1)}$,我们想以 $z_0 = 0$ 为中心展开这个函数。

确定展开中心点 :$z_0 = 0$。

计算洛朗系数

$$a_n = \frac{1}{2\pi i} \oint_C \frac{1}{z(z - 1)} z^{-n-1} dz$$

通过留数定理,我们可以找到每个 $a_n$ 的值。

确定级数形式

$$f(z) = \sum_{n = -\infty}^{\infty} a_n z^n$$

确定收敛域

对于正指数幂部分,考虑 $|z| < 1$。

对于负指数幂部分,考虑 $|z| > 1$。

取交集得到收敛域为 $|z| < 1$ 和 $|z| > 1$ 的并集,即除去 $z = 0$ 和 $z = 1$ 的所有点。

通过上述步骤,我们可以得到函数 $f(z) = \frac{1}{z(z - 1)}$ 在 $z_0 = 0$ 处的洛朗级数展开式,并确定其收敛域。

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