Математика. Дополнительные главы

Сформулируем вначале определение сходимости ряда на языке неравенств, которое получается переформулировкой определения сходимости последовательности функций.

Оставим эту теорему без доказательства.

Определение равномерной сходимости выглядит следующим образом.

Определение. Говорят, что ряд un (z) сходится равно-

n 1

мерно к своей сумме S (z) в области D , если для всякого 0

Определение. Говорят, что ряд сходится равномерно внутри области D , если он сходится равномерно на каждом ограниченном замкнутом подмножестве из множества D .

Как и для сходимости ряда, для равномерной сходимости ряда имеет место критерий Коши.

41

Теорема 2.2.2 (критерий Коши равномерной сходимости

Оставим эту теорему без доказательства.

Выяснять по определению равномерную и равномерную внутри области сходимости достаточно трудно. Поэтому нужны результаты, позволяющие сделать это легко. Таким результатом является достаточный признак равномерной сходимости, принадлежащий Вейерштрассу. К его изложению мы и приступаем.

an , если, начиная с некоторого номера выполнено неравен-

n 1

ство an bn .

Теорема 2.2.3 (Вейерштрасс). Если для ряда un (z) в об-

n 1

ласти D существует мажорирующий его абсолютно сходящий-

42

Доказательство. Так как числовой ряд an сходится аб-

43

Теорема 2.2.4. Если ряд un (z) сходится равномерно на

n 1

множестве D , и функции un (z) непрерывны на множестве D ,

то сумма ряда un (z) непрерывна на множестве D .

n 1

Доказательство. Пусть z и z h точки из D . Нам требует-

ся показать, что lim S(z h) S(z) . Для этого оценим разность

h 0

S(z h) S(z) . Имеем

S(z h) S(z)

S(z h) Sn (z h) S(z) Sn (z) Sn (z h) Sn (z)

S(z h) Sn (z h) S(z) Sn (z) Sn (z h) Sn (z) .

n 1

44

тегрируемы на кривой L , лежащей в D , то ряд un (z) можно

n 1

интегрировать почленно.

Доказательство. Отметим, что если члены un (z) ряда

un (z) непрерывны в области D и ряд сходится равномерно,

n 1

то сумма ряда непрерывна и, следовательно, интегрируема. Поэтому в случае непрерывности un (z) в D условие интегрируемости суммы ряда можно убрать из формулировки теоремы, так

что и означает почленную интегрируемость ряда. Теорема доказана.

45

Теорема 2.2.6. Если ряд un (z) сходится равномерно на

n 1

n 1

Доказательство. Так как ряд un (z) сходится на D рав-

n 1

номерно, то для него выполняется критерий Коши равномерной сходимости, то есть для всякого 0 существует единый для всех z из области D номер N ( ) такой, что для всех n N ( )

Поэтому критерий Коши равномерной сходимости выполнен и

для ряда (z)un (z) . Теорема доказана.

n 1

Определение. Будем говорить, что ряд un (z) можно

n 1

Теорема 2.2.7. Если ряд сходится равномерно внутри области D и функции un (z) голоморфные (аналитические) в области

D , то сумма ряда есть функция аналитическая и ряд можно дифференцировать почленно любое число раз.

46

дится равномерно в области D и z - произвольная точка из D .

области D , t z , то по теореме 2.2.6 равномерно сходятся на ряды

и поэтому их можно почленно интегрировать на . В результате получаем

47

Функция и её производные представлены интегралом типа Коши, поэтому являются аналитическими (голоморфными) в D функциями каждую из них можно дифференцировать любое число раз. Теорема доказана.

Заметим, что для функций действительного переменного дифференцируемость функции не влечёт её аналитичности. Для рядов состоящих из функций действительного переменного имеет место следующий результат о почленной дифференцируемости ряда.

Теорема 2.2.8. Если функции un (x) дифференцируемы на

n 1

номерно внутри этого интервала, то исходный ряд un (x)

n 1

можно дифференцировать почленно, то есть имеет место равен-

суммы исходного ряда равна сумме ряда из производных.

2.3. Степенные ряды

Ряд an (z z0 )n называется степенным. Так как этот ряд

n 0

сдвигом начала координат в точку z0 может быть преобразован

к виду an zn , то обычно последний и изучают. Имеет место

n 0

следующий результат.

Теорема (Абель). Если степенной ряд an zn сходится в

n 0

точке z1 , то он сходится, и притом абсолютно, в любой точке

z , для которой z z1 . Если степенной ряд an zn расходит-

n 0

48

ся в точке z2 , то он расходится и в любой точке z , для которой

z z2 .

Таким образом, степенной ряд имеет круг сходимости. Вы-

ражение для нахождения радиуса R L1 круга сходимости сте-

пенного ряда an zn получают с помощью признака Даламбе-

n 0

Нетрудно показать, что степенной ряд сходится равномерно внутри круга сходимости, поэтому его можно интегрировать и дифференцировать внутри этого круга любое число раз. Кроме

того, так как функции (z z0 )n являются аналитическими (голо-

морфными) во всей комплексной плоскости и степенной ряд сходится равномерно внутри круга сходимости, то его сумма есть функция аналитическая (голоморфная) внутри круга сходимости.

2.4. Ряды Тейлора и Лорана

Степенной ряд cn (z z0 )n , коэффициенты которого вы-

интегрирование ведётся по любому замкнутому контуру содержащему точку z0 внутри себя и не содержащему точек не аналитичности функции f (z) , называется рядом Тейлора.

Теорема (Тейлор). Всякая голоморфная (аналитическая) в

n 0

формуле

49

где интегрирование ведётся по любому замкнутому контуру со-