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マイナス次数まで許すとどうなる?ローラン展開と主要部を読む

テイラー展開は正の次数しか使いません。負の次数まで許すと、特異点のまわりでも級数に開けるようになります。

これがローラン展開です[1]。中心 で正則である必要はなく、 を抜いた輪の形の領域で正則でありさえすればよい。

自身は展開の中心でありながら、そこで関数が定義されていなくてもよい。輪の内側を見ないまま、輪の上での振る舞いを級数で書く仕掛けです。

定理の形

が円環領域 で正則であるとします。このとき、その領域のすべての点で冒頭の級数が収束し、 に一致します。

は でもよく、 は無限大でもよい。 なら を抜いた円板、 が無限大なら外側全体が対象になります。

収束は円環の内部で広義一様。コンパクトな部分集合の上で一様に収束するので、項別の積分も微分も許されます[1]。

主要部と正則部

級数を負の次数と非負の次数で切り分けます。

正則部はふつうのべき級数で、 で収束します。主要部は と置けばべき級数になり、 で収束する。

2 つの収束域が重なった部分が円環です。内側からと外側からの制限が同時にかかるので、円板ではなく輪になる。

が 以上になると円環が空になり、級数はどこでも収束しません。輪が残っているかどうかが、展開が意味を持つ条件です。

係数の公式

係数は積分で書けます。 を円環の中にある、 を囲む閉曲線とする。

ならコーシーの導関数公式と同じ形です[7]。負の でも同じ式が通る点が、ローラン展開の便利なところ。

実際の計算でこの積分を使うことは、ほとんどありません。既知の級数を組み合わせるほうが速いためです。公式は理論の側で効きます。

内側と外側の半径は、係数の増え方から決まります。コーシー・アダマールの形で、正の側と負の側の係数列それぞれから上極限をとる[2]。

一意性

円環が決まれば、展開はただ一通りです。どんな方法で作った級数でも、その円環で に一致するならローラン展開そのもの。

証明は係数の公式から出ます。級数を項別に積分すると、 の項だけが残って が復元される。

この一意性のおかげで、幾何級数を組み合わせて作った式をそのまま答えにできます。積分を計算する必要がない理由もここ。

例: を のまわりで

はすでにローラン展開の形をしています。

で、他の係数はすべて です。主要部が 1 項だけの、いちばん短い例。

有効な円環は 。中心を抜いた平面全体で、この式がそのまま成り立ちます。

例: を原点のまわりで

に を入れます。

主要部が無限に続きます。 なので、原点での留数は 。

の級数は全平面で収束するので、この展開は で通用します。

例: を原点のまわりで

を で割るだけ。

主要部は の 1 項で終わり、 の項がありません。したがって留数は です。

主要部の長さは 2 項ぶんに見えて、実際には最高次が の 1 項だけ。奇関数を奇数乗で割ったので、偶数次だけが残ります。

主要部の様子で特異点の種類が決まります。主要部がなければ除去可能、有限項で止まれば極、無限に続けば真性特異点[4,5]。

同じ関数で展開が変わる

中心が同じでも、どの円環をとるかで係数が変わります。ここがテイラー展開といちばん違うところ。

を原点のまわりで考えます。特異点は と なので、円環は と の 2 つ。

内側の円環では、 を で使える形に開きます。

外側では割り方を変えます。 なら が より小さいので、そちらで開ける。

内側の展開には の項があり、外側にはありません。留数を読むときは、原点に接する内側の円環をとります。

例:円環が 3 つに分かれる

を原点のまわりで展開します。特異点は と なので、円環は 3 つ。

部分分数に分けておくと見通しがよくなります。

では両方を のべきに開けます。これは負の次数を持たないふつうのテイラー展開。

では、 だけ開き方を裏返します。

では両方を裏返し、負の次数だけになります。

3 つとも同じ関数を表しているのに、係数はまったく違う。どの円環の話をしているかを先に決めないと、答えが定まりません。

展開の作り方

実際には積分の公式ではなく、幾何級数を組み立てて作ります。手順はいつも同じ。

中心を決め、特異点までの距離で円環を切り分ける
狙う円環の中で、絶対値が より小さくなる量を見つける
その量について を当てる
残った因子を掛け、次数をそろえて並べ直す

なら を、 なら を選ぶ。どちらを にとるかだけが分かれ目です。

指数関数や三角関数が混じるときは、既知のテイラー級数に代入してから割ります。 と がその例。

例:極の位数を係数から読む

を原点のまわりで展開します。 を使う。

最高の負の次数が なので、原点は 2 位の極です。分母が だからといって 4 位ではない。

分子が原点で 位の零点を持つぶん、位数が下がっています。位数は約分してから数える。

テイラー展開との関係

主要部が空なら、ローラン展開はテイラー展開そのものです。負の次数の係数がすべて という場合。

このとき は除去可能特異点で、 と定めれば でも正則になります。もともと正則な点なら、はじめから主要部は出ません[3]。

つまりローラン展開はテイラー展開を含んでいる。素直に見れば、負の次数を許した拡張です。

無限遠点での展開

で正則な関数を、無限遠点のまわりで調べることもできます。 と置いて での様子を見る。

での展開に正の次数がなければ、無限遠点は除去可能です。有限個なら極で、その最高次が位数になります。

多項式は無限遠点で極を持ちます。 は正の次数が無限に続くので、無限遠点が真性特異点。

整関数のうち多項式だけが無限遠点でおとなしい、という事情がここに出ています。

留数との関係

留数は そのものです。ローラン展開が求まれば、留数は読むだけで手に入る。

逆に、留数だけが必要なら展開を全部作る必要はありません。極の位数が分かっていれば、掛けて微分する公式のほうが速い[6]。

真性特異点では公式が使えないので、展開に戻ることになります。 の留数を出す道はそれしかない。

よくある誤り

円環を決めずに展開しても答えが定まりません。同じ中心で係数が変わります
での値は展開に現れません。中心は抜いてあります
主要部の項数と分母の次数は別です。約分してから位数を数える
の展開は でだけ使えます。外側では を裏返す
係数の公式に出てくる は、その円環の中にある必要があります
留数は で、 の最高次ではありません
主要部が無限に続いても、級数が発散しているわけではない。円環の中では収束します
テイラー展開が使えないから展開できない、とはなりません。輪の形に領域をとり直します

級数を負の側へ伸ばすという一つの工夫で、特異点のまわりまで手が届くようになりました。特異点の分類も、留数の定義も、実積分の計算も、この展開を足場にしています。

参考文献

Laurent series - Wikipedia
Laurent-Reihe - Wikipedia(ドイツ語)
Removable singularity - Wikipedia
Isolated singularity - Wikipedia
Casorati-Weierstrass theorem - Wikipedia
Residue theorem - Wikipedia
Cauchy's integral formula - Wikipedia
中心で定義されていない関数でも、輪の形の領域をとれば級数に開けます。主要部と正則部が別々の向きから収束して円環が残る仕組み、係数を与える積分公式、そして展開がただ一通りに決まること。1/(z(z-2)) が円環ごとに違う係数を持つ様子を並べ、幾何級数の組み立て方、極の位数の読み方、無限遠点での展開、留数とのつながりまで。