6장. 급수와 특이점

복소해석학 · 3부. 급수, 유수, 응용

심화 · 약 15분 · 연습문제 5

요약

복소 거듭제곱급수와 수렴 반지름, 정칙이면 테일러 전개 가능, 영점, 로랑 급수, 고립 특이점의 세 종류(제거 가능·극·본질적), 유수의 정의

실수에서 11+x2\frac{1}{1 + x^2}의 테일러 급수 1−x2+x4−⋯1 - x^2 + x^4 - \cdots은 ∣x∣<1|x| < 1에서만 수렴합니다. 함수는 실수 전체에서 매끄러운데 왜 1에서 멈출까요? 복소평면에서 보면 답이 보입니다. z=±iz = \pm i에서 분모가 0이 되고, 원점에서 그 점까지의 거리가 1입니다. 이 장에서는 정칙함수가 언제나 거듭제곱급수로 쓰인다는 것, 특이점 근처에서는 음의 거듭제곱까지 쓰는 로랑 급수가 필요하다는 것, 그리고 그 1z−z0\frac{1}{z - z_0} 항의 계수인 유수를 배웁니다.

6.1 거듭제곱급수

정의 6.1. ∑n=0∞an(z−z0)n\sum_{n=0}^\infty a_n(z - z_0)^n을 중심 z0z_0인 거듭제곱급수(power series)라 합니다.

정리 6.2. 수 RR(0≤R≤∞0 \le R \le \infty)이 있어 급수는 ∣z−z0∣<R|z - z_0| < R에서 수렴하고 ∣z−z0∣>R|z - z_0| > R에서 발산합니다. RR을 수렴 반지름(radius of convergence)이라 하고, 비율 판정법으로 R=lim⁡∣anan+1∣R = \lim\left|\frac{a_n}{a_{n+1}}\right|(극한이 있을 때)입니다.

수렴하는 곳은 원판입니다. 실수에서 “수렴 구간”이라 부른 것은 이 원판과 실수축의 교집합입니다.

예제 6.3. ∑zn=11−z\sum z^n = \frac{1}{1 - z}(∣z∣<1|z| < 1). R=1R = 1이고, 원 위의 점 z=1z = 1에서 함수가 무한대입니다.

6.2 정칙 ⇔ 거듭제곱급수

정리 6.4. ff가 원판 ∣z−z0∣<R|z - z_0| < R에서 정칙이면 그 원판에서

f(z)=∑n=0∞f(n)(z0)n!(z−z0)n.f(z) = \sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(n)}(z_0)}{n!}(z - z_0)^n.

증명 개요. 코시 적분 공식의 1z−w\frac{1}{z - w}를 등비급수로 전개하면 각 항이 5장의 도함수 공식이 됩니다. □

수렴 반지름은 z0z_0에서 가장 가까운 특이점까지의 거리입니다. 11+z2\frac{1}{1 + z^2}을 원점에서 전개하면 특이점 ±i\pm i까지 거리가 1이므로 R=1R = 1. 실수축만 봐서는 이유를 알 수 없던 것이 설명됩니다.

정리 6.5 (영점은 고립되어 있다). ff가 정칙이고 상수 0이 아니면, f(z0)=0f(z_0) = 0인 점 z0z_0 근처에 다른 영점이 없습니다. 그리고 f(z)=(z−z0)mg(z)f(z) = (z - z_0)^mg(z), g(z0)≠0g(z_0) \ne 0으로 쓸 수 있습니다. mm을 영점의 차수(order)라 합니다.

결과: 두 정칙함수가 선분 하나(또는 수렴하는 점열) 위에서 같으면 연결된 영역 전체에서 같습니다(일치 정리). 실수 함수를 복소수로 넓히는 방법이 하나뿐이라는 뜻이며, 해석적 연속(analytic continuation)의 근거입니다.

6.3 로랑 급수

특이점 근처에서는 음의 거듭제곱도 필요합니다.

정리 6.6 (로랑 급수). ff가 고리 r<∣z−z0∣<Rr < |z - z_0| < R에서 정칙이면

f(z)=∑n=−∞∞an(z−z0)n=⋯+a−2(z−z0)2+a−1z−z0⏟주요부+a0+a1(z−z0)+⋯ .f(z) = \sum_{n=-\infty}^\infty a_n(z - z_0)^n = \underbrace{\cdots + \frac{a_{-2}}{(z - z_0)^2} + \frac{a_{-1}}{z - z_0}}_{\text{주요부}} + a_0 + a_1(z - z_0) + \cdots.

계수는 보통 공식보다 등비급수와 알려진 테일러 급수를 조합해 구합니다.

예제 6.7. f(z)=ezz2f(z) = \frac{e^z}{z^2}을 z=0z = 0 근처에서: 1z2(1+z+z22+z36+⋯ )=1z2+1z+12+z6+⋯\frac{1}{z^2}(1 + z + \frac{z^2}2 + \frac{z^3}{6} + \cdots) = \frac{1}{z^2} + \frac1z + \frac12 + \frac z6 + \cdots.

예제 6.8. f(z)=1z(z−1)f(z) = \frac{1}{z(z - 1)}을 0<∣z∣<10 < |z| < 1에서: 1z−1=−11−z=−(1+z+z2+⋯ )\frac{1}{z - 1} = -\frac{1}{1 - z} = -(1 + z + z^2 + \cdots)이므로 f=−1z−1−z−⋯f = -\frac1z - 1 - z - \cdots.

6.4 고립 특이점의 분류

ff가 z0z_0 근처(그 점만 빼고)에서 정칙이면 z0z_0를 고립 특이점(isolated singularity)이라 하고, 로랑 급수의 주요부로 분류합니다.

종류 주요부 예 z→z0z \to z_0에서
제거 가능(removable) 없음 sin⁡zz\frac{\sin z}{z} at 0 유한한 극한
mm차 극(pole of order mm) 항이 mm개(가장 낮은 항 (z−z0)−m(z - z_0)^{-m}) 1z2\frac{1}{z^2} at 0 (2차) ∣f∣→∞\lvert f\rvert \to \infty
본질적(essential) 무한히 많음 e1/ze^{1/z} at 0 극한 없음

예제 6.9. sin⁡zz=1−z26+⋯\frac{\sin z}{z} = 1 - \frac{z^2}{6} + \cdots: 제거 가능, z=0z = 0에서 값을 1로 정하면 정칙.

판정 요령. f=g/hf = g/h이고 g(z0)≠0g(z_0) \ne 0, hh가 z0z_0에서 mm차 영점이면 z0z_0는 mm차 극입니다. 예: 1z2+1\frac{1}{z^2 + 1}은 ±i\pm i에서 1차 극(단순극, simple pole).

본질적 특이점 근처에서는 함수가 매우 거칠게 움직입니다. e1/ze^{1/z}는 z→0+z \to 0^+(실수)에서 ∞\infty, z→0−z \to 0^-에서 0, 허수축을 따라서는 절댓값 1을 유지합니다.

6.5 유수

정의 6.10. z0z_0에서의 로랑 급수의 1z−z0\frac{1}{z - z_0} 계수 a−1a_{-1}을 유수(residue)라 하고 Res(f,z0)\mathrm{Res}(f, z_0)로 씁니다.

왜 이 계수만 특별할까요? 4장 정리 4.3에 따라 z0z_0 둘레의 작은 원에서 적분하면 (z−z0)n(z - z_0)^n 항은 n=−1n = -1일 때만 살아남아

∮f dz=2πi a−1.\oint f\,dz = 2\pi i\,a_{-1}.

유수만이 적분에 남는 흔적입니다. 이것이 7장 유수 정리의 핵심입니다.

계산 공식.

  • 단순극: Res(f,z0)=lim⁡z→z0(z−z0)f(z)\mathrm{Res}(f, z_0) = \lim_{z \to z_0}(z - z_0)f(z). 특히 f=g/hf = g/h, h(z0)=0≠h′(z0)h(z_0) = 0 \ne h'(z_0)이면 g(z0)h′(z0)\dfrac{g(z_0)}{h'(z_0)}.
  • mm차 극: Res=1(m−1)!lim⁡z→z0dm−1dzm−1[(z−z0)mf(z)]\mathrm{Res} = \dfrac{1}{(m - 1)!}\lim_{z \to z_0}\dfrac{d^{m-1}}{dz^{m-1}}\left[(z - z_0)^mf(z)\right].

예제 6.11. 예제 6.7에서 Res(ez/z2,0)=1\mathrm{Res}(e^z/z^2, 0) = 1. 공식으로는 m=2m = 2, ddzez∣0=1\frac{d}{dz}e^z|_0 = 1.

예제 6.12. Res(1z2+1,i)=12z∣z=i=12i=−i2\mathrm{Res}\left(\frac{1}{z^2 + 1}, i\right) = \frac{1}{2z}\Big|_{z = i} = \frac{1}{2i} = -\frac i2.

6.6 이 장의 요약

  • 거듭제곱급수는 원판에서 수렴. 수렴 반지름 = 가장 가까운 특이점까지의 거리.
  • 정칙이면 테일러 전개 가능. 영점은 고립, 일치 정리, 해석적 연속.
  • 로랑 급수: 음의 거듭제곱 포함. 주요부로 제거 가능·극·본질적 특이점을 구별.
  • 유수 a−1a_{-1}: 작은 원 위의 적분 =2πi⋅Res= 2\pi i\cdot\mathrm{Res}.

쓰이는 곳. 물리학의 해석적 연속(감마 함수, 리만 제타 함수의 확장, 차원 정규화), 생성함수로 수열의 점근 행동 구하기(가장 가까운 특이점이 증가율을 정함, 이산수학의 생성함수와 이어짐), 제어공학과 신호처리의 극점·영점 분석, 양자장론의 프로파게이터 극점(입자의 질량), 섭동 급수의 수렴 반지름 논의가 이 장의 개념입니다.

문제

6.1 [계산] · 확인 문제

1z2−2z+5\frac{1}{z^2 - 2z + 5}를 z=0z = 0에서 테일러 전개할 때 수렴 반지름은?

정답
√5
풀이

특이점은 1±2i1 \pm 2i이고 원점에서의 거리는 5\sqrt5입니다.

6.2 [개념]

1−cos⁡zz4\frac{1 - \cos z}{z^4}의 z=0z = 0은 어떤 특이점인가요?

  1. 제거 가능
  2. 1차 극
  3. 2차 극
  4. 본질적
정답
3
풀이

1−cos⁡z=z22−z424+⋯1 - \cos z = \frac{z^2}{2} - \frac{z^4}{24} + \cdots이므로 1−cos⁡zz4=12z2−124+⋯\frac{1 - \cos z}{z^4} = \frac{1}{2z^2} - \frac{1}{24} + \cdots, 2차 극입니다.

6.3 [계산] · 확인 문제

Res(z+2z(z−1),1)\mathrm{Res}\left(\dfrac{z + 2}{z(z - 1)}, 1\right)은?

정답
3
풀이

단순극이므로 lim⁡z→1(z−1)f=31=3\lim_{z \to 1}(z - 1)f = \frac{3}{1} = 3입니다.

6.4 [계산] · 확인 문제

Res(e2zz3,0)\mathrm{Res}\left(\dfrac{e^{2z}}{z^3}, 0\right)은?

정답
2
풀이

e2z=1+2z+2z2+⋯e^{2z} = 1 + 2z + 2z^2 + \cdots이므로 e2zz3\frac{e^{2z}}{z^3}의 1z\frac1z 계수는 22입니다.

6.5 [증명]

f=g/hf = g/h이고 g(z0)≠0g(z_0) \ne 0, h(z0)=0h(z_0) = 0, h′(z0)≠0h'(z_0) \ne 0이면 Res(f,z0)=g(z0)/h′(z0)\mathrm{Res}(f, z_0) = g(z_0)/h'(z_0)임을 보입니다.

풀이

lim⁡z→z0(z−z0)g(z)h(z)=lim⁡g(z)⋅z−z0h(z)−h(z0)=g(z0)h′(z0)\lim_{z \to z_0}(z - z_0)\frac{g(z)}{h(z)} = \lim g(z)\cdot\frac{z - z_0}{h(z) - h(z_0)} = \frac{g(z_0)}{h'(z_0)}이고, 극이 단순극이므로 이 극한이 유수입니다.