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解析延拓
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解析延拓是拓展原給函數(shù)定義的一種方法,即指由適用于較小區(qū)域的函數(shù)表達(dá)式推演出適用于更大區(qū)域的函數(shù)表達(dá)式的過程。欲使解析延拓有意義,一般在適當(dāng)條件下由它只能得出唯一的結(jié)果。

解析延拓可以利用泰勒級數(shù)進(jìn)行,即選取區(qū)域b的任一內(nèi)點(diǎn)z0,在z0的鄰域上把解析函數(shù)展開為泰勒級數(shù)。如果這個(gè)泰勒級數(shù)的收斂圓有一部分超出b之外,解析函數(shù)的定義域就擴(kuò)大了一步,這樣一步又一步,定義域則逐步擴(kuò)大。

介紹

按照解析函數(shù)的要求把定義在較小區(qū)域上的函數(shù)延拓到更大的區(qū)域上。

基于數(shù)學(xué)原理

同一性定理(Identity Theorem):任何兩個(gè)定義在復(fù)平面同一個(gè)區(qū)域上的解析函數(shù),如果他們在這個(gè)區(qū)域上的無窮多個(gè)點(diǎn)上都相等,而且這些點(diǎn)中存在極限點(diǎn),則這兩個(gè)函數(shù)必然在整個(gè)區(qū)域上相等。

而這里無限個(gè)點(diǎn)中必須包含極限點(diǎn)才可以,比如sin(x)和2sin(x)在點(diǎn)集{,k是整數(shù)}取值都相等,但是由于這個(gè)無限點(diǎn)集沒有極限點(diǎn),所以可以存在兩個(gè)不同的解析函數(shù)在這個(gè)點(diǎn)集上取值都相等。而如果這無限個(gè)點(diǎn)有解,那么由于有解無限點(diǎn)集必然包含極限點(diǎn),那么也必然可以唯一確定一個(gè)解析函數(shù)。

根據(jù)這一定理,一個(gè)定義在較小區(qū)域上的解析函數(shù),對于更大的區(qū)域,最多只存在一個(gè)解析函數(shù)在這個(gè)較小的區(qū)域上和它相等。這個(gè)定義在更大區(qū)域上的解析函數(shù)就叫做它的解析延拓。

現(xiàn)實(shí)中的問題

對于一個(gè)具有解析表達(dá)式的解析函數(shù),它的解析延拓的定義是明確的。在數(shù)值計(jì)算中,常常不能得到一個(gè)函數(shù)的解析表達(dá)式,而只能得到某些點(diǎn)上的值。這時(shí),要利用這些已知的值去求未知函數(shù)的解析延拓在別的點(diǎn)的值就比較困難。在這方面的研究目前還沒有出現(xiàn)很好的方法或結(jié)果。解析延拓的具體實(shí)施,非常困難。需要新觀念的進(jìn)入。

定義

假定函數(shù)與分別在區(qū)域與中解析,與有一公共部分,在其上成立,于是將與在及內(nèi)的全體點(diǎn)上的數(shù)值集合看成一個(gè)解析函數(shù),則在中解析,在中,而在中。

函數(shù)可以看成由拓展的定義區(qū)域所得,故稱它為的解析延拓。當(dāng)然,根據(jù)同樣理由,是的解析延拓,這種拓展原給函數(shù)定義的方法稱為解析延拓。

欲使這個(gè)方法有意義,必須在適當(dāng)條件下由它只能得出唯一的結(jié)果,以后我們將要證明它確實(shí)如此,在給出它的證明以前,先提一下,如果對單元實(shí)函數(shù)定義類似的方法,將會(huì)遇到怎樣的困難。

設(shè)在中,人們自然會(huì)建議用此公式將的定義拓展到其他上。但困難在于兩個(gè)不同的公式可能在某一區(qū)間中表同一函數(shù),而在另一區(qū)間中卻表不同的函數(shù),并且也沒有明顯的理由來決定究竟哪個(gè)公式才為“正當(dāng)”。例如在中,上面的函數(shù)也可以可以級數(shù)表示;但若以此級數(shù)的和定義函數(shù),我們看到,它在區(qū)間中的值等于。

這個(gè)級數(shù)并不一致收斂,但即使對一致收斂級數(shù),同樣的事情也會(huì)發(fā)生,例如級數(shù)在包含的區(qū)間中一致收斂;倘若利用它把級數(shù)的和從正延拓到負(fù),便得到并非希望的結(jié)果,即的延拓為。

延拓的標(biāo)準(zhǔn)方法

延拓的標(biāo)準(zhǔn)方法就是冪級數(shù)方法,假定我們從級數(shù)出發(fā),它在圓中收斂。在圓中任取一個(gè)不同于a的點(diǎn)b,算出與各階導(dǎo)數(shù)的數(shù)值,就得到函數(shù)關(guān)于乘冪的展開式。這個(gè)級數(shù)在任何以b為圓心并且完全落在原來圓內(nèi)的圓中都一定收斂,它也可能在一個(gè)更大的圓中收斂,從而提供了函數(shù)的一個(gè)解析延拓,因此整個(gè)函數(shù)就可通過冪級數(shù)而構(gòu)成。每一冪級數(shù),或者與它等價(jià)的每組數(shù)值稱為函數(shù)的元素。

下面的定理說明了以這種特殊方法作為標(biāo)準(zhǔn)方法的理由,用任何延拓方法得到的函數(shù)值也能通過冪級數(shù)方法得到。

命C為一連接點(diǎn)與的圍道,沿著這條圍道,我們已經(jīng)用某種方法延拓了,即我們有一列公式,這些公式在區(qū)域列中定義了,而具有次之性質(zhì):(i)C的每一點(diǎn)都是一個(gè)或多個(gè)Dn的內(nèi)點(diǎn);(ii)相繼的互相交疊,而在公共部分上,的不同定義有相同的值。

我們要用冪級數(shù)方法實(shí)現(xiàn)此同一過程,即要在C上找一列點(diǎn)使在列中每一點(diǎn)上的收斂圓都包含下一點(diǎn),并且用冪級數(shù)方法所得的值與用其他方法得到的相同。又用此方法,經(jīng)過有限多步一定能夠達(dá)到b。

對于C上每一點(diǎn)z,都有一正收斂半徑與之結(jié)合,并且是z的連續(xù)函數(shù),若為相鄰二點(diǎn),并以與表相應(yīng)的收斂半徑,因?yàn)榕c相反的就是所以無論如何,(2)恒成立。將(1)與(2)聯(lián)在一起,就證明了當(dāng)時(shí)有,這就是需要的結(jié)果。

因?yàn)檫B續(xù),所以它一定能取得下確界;又因它恒正,所以它的下確界一定是正數(shù),設(shè)此下確界為。

我們從上的冪級數(shù)出發(fā),命為沿圍道與a距離等于的地點(diǎn)它落在a點(diǎn)處的收斂圓內(nèi),故能將函數(shù)展成的冪級數(shù),新的收斂半徑至少為,所以又能達(dá)到沿曲線與a距離的點(diǎn),照此方法繼續(xù)進(jìn)行,很明顯地,經(jīng)過有限次后一定能到達(dá)b。至于用這方法得到的b上的數(shù)值與用其他方法得到的相等的事實(shí)可由一般的唯一性定理推出。

參考資料 >

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