复变函数的解析函数项级数与一致收敛性
我们先从基础概念开始。解析函数项级数是指每一项都是解析函数的函数项级数,形如:
\[\sum_{n=1}^{\infty} f_n(z) \]
其中每个 \(f_n(z)\) 在区域 \(D\) 内解析。这种级数的和函数是否仍解析,取决于级数的收敛性质。若级数在 \(D\) 内内闭一致收敛(即在 \(D\) 的任意紧子集上一致收敛),则和函数在 \(D\) 内解析,且可逐项求导或积分。
一致收敛性是关键。若对任意紧子集 \(K \subset D\) 和任意 \(\epsilon > 0\),存在 \(N\) 使得当 \(m,n > N\) 时,
\[\left| \sum_{k=n}^{m} f_k(z) \right| < \epsilon \quad \forall z \in K, \]
则级数在 \(D\) 内内闭一致收敛。此条件保证了极限函数连续,且若各项解析,则和函数解析。
进一步,若级数内闭一致收敛,则可逐项求导:
\[\frac{d}{dz} \left( \sum_{n=1}^{\infty} f_n(z) \right) = \sum_{n=1}^{\infty} f_n'(z), \]
且求导后的级数同样内闭一致收敛。此性质源于柯西积分公式和一致收敛下的积分号下取极限。
一致收敛性还关联到级数的积分。若 \(\gamma\) 是 \(D\) 内可求长曲线,则
\[\int_{\gamma} \left( \sum_{n=1}^{\infty} f_n(z) \right) dz = \sum_{n=1}^{\infty} \int_{\gamma} f_n(z) dz, \]
即积分与求和可交换。这为复积分计算提供了便利。
最后,应用实例包括幂级数展开(一致收敛于解析函数)和部分分式展开(如余切函数的展开),体现了解析函数项级数在构造和表示函数中的核心作用。