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Grado en Matemáticas

Series de potencias y series de Laurent

Una serie no es solo una lista de términos: también lleva un centro y una región donde su suma representa una función. Las potencias no negativas trabajan en discos; las negativas permiten describir anillos. Empezaremos con geométricas y veremos cómo la misma función cambia de desarrollo al pasar una singularidad.

1. Fijamos centro y coeficientes; después elegimos dónde evaluar

En Σ desde n=0 de aₙ(z−a)ⁿ, a es un centro fijo, aₙ son coeficientes y z es la entrada. Para cada z obtenemos una serie de números complejos, definida como límite de sumas parciales. En el centro solo queda a₀.

Existe un radio R∈[0,∞] que garantiza convergencia absoluta para |z−a|<R y divergencia para |z−a|>R.

Los casos R=0 y R=∞ son posibles.

Si R=0, la convergencia en el único centro no produce por sí sola una función holomorfa en un entorno.

Una geométrica con centro desplazado

Σ desde n=0 de (z−2)ⁿ/3ⁿ.

  1. Datos

    Centro dos, coeficientes 3⁻ⁿ y razón (z−2)/3.

  2. Región

    La razón tiene módulo menor que uno si |z−2|<3.

  3. Suma

    1/[1−(z−2)/3]=3/(5−z); en el centro da uno.
Resultado

El radio es 3 y el disco está centrado en 2.

Lo comprobamos

No se sustituye |z|<3 cuando el centro no es cero.

Los dos radios extremos

Compara Σn!zⁿ con Σzⁿ/n!, empezando en n=0.

  1. Factoriales arriba

    Con z≠0, el cociente de módulos de términos es (n+1)|z| y acaba siendo mayor que dos; los términos no tienden a cero. Solo converge en cero.

  2. Factoriales abajo

    El cociente es |z|/(n+1)→0 para todo z fijo.
  3. Radios

    La primera tiene R=0 y la segunda R=∞.
Resultado

Escribir una serie de potencias no garantiza un radio positivo ni finito.

Lo comprobamos

En cero ambas sumas valen uno por el término inicial.

2. Cauchy–Hadamard usa el crecimiento exponencial de los coeficientes

Sea L=limsup desde n→∞ de |aₙ|^(1/n).
Entonces R=1/L, interpretando R=∞ cuando L=0 y R=0 cuando L=∞.

La raíz de un término tiene límite superior L|z−a|: menor que uno garantiza convergencia y mayor que uno impide que los términos tiendan a cero.

El límite superior no exige que exista el límite ordinario. Si los coeficientes son no nulos desde cierto índice y existe el límite de |aₙ/aₙ₊₁|, este ofrece otra forma de calcular R. Ceros intercalados o cocientes oscilantes obligan a revisar esa vía.

Un crecimiento regular

aₙ=5ⁿ, centro a=0.

  1. Raíces

    |aₙ|^(1/n)=5.
  2. Radio

    L=5 y R=1/5.
  3. Comprobar

    La serie es geométrica de razón 5z, pequeña exactamente dentro de ese radio.

Resultado

R=1/5.

Lo comprobamos

Se invierte el crecimiento del coeficiente: un coeficiente que crece más rápido reduce el radio.

El límite ordinario puede no existir

aₙ=1 si n es par y aₙ=0 si n es impar.

  1. Raíces

    Para n≥1, alternan entre uno y cero.
  2. Límite superior

    L=1, aunque no existe un límite ordinario.
  3. Serie

    Es 1+z²+z⁴+…=1/(1−z²) para |z|<1.
Resultado

El radio es 1 y no se usan cocientes que dividen entre cero.

Lo comprobamos

Los ceros de coeficientes no hacen que el radio sea infinito; hay que mirar la sucesión completa.

3. En la circunferencia frontera se estudia cada comportamiento por separado

Cuando |z−a|=R, el criterio de raíz llega al valor uno y deja la cuestión abierta. Puede haber divergencia, convergencia condicional o absoluta. Radio no es una orden de incluir o excluir toda la circunferencia.

En una geométrica con |z|=1, los términos zⁿ tienen módulo uno y no tienden a cero; diverge en toda su frontera. Añadir factores como 1/n o 1/n² cambia el comportamiento fronterizo sin cambiar el radio.

Dos puntos de una misma frontera con respuestas distintas

Σ desde n=1 de zⁿ/n tiene radio uno.

  1. En z=1

    Es la serie armónica y diverge.

  2. En z=−1

    Es Σ(−1)ⁿ/n, convergente por el criterio alternado.

  3. Absoluta

    En z=−1 los módulos vuelven a formar la armónica; la convergencia es condicional.

Resultado

El radio por sí solo no decide estos dos extremos.

Lo comprobamos

La convergencia alternada se justifica porque 1/n decrece a cero; no basta con ver signos alternos.

Convergencia absoluta en toda la frontera

Σ desde n=1 de zⁿ/n².

  1. Radio

    n^(−2/n)→1, así que R=1.
  2. En |z|=1

    |zⁿ/n²|=1/n².
  3. Comparar

    La p-serie de exponente dos converge.

Resultado

Todos los puntos de |z|=1 tienen convergencia absoluta.

Lo comprobamos

Esto no contradice R=1: el radio deja la frontera sin decidir, no prohíbe converger en ella.

4. En discos compactos interiores podemos derivar e integrar término a término

Si ρ<R, elegimos s con ρ<s<R.

La serie numérica Σ|aₙ|sⁿ converge y domina los términos en |z−a|≤ρ. Weierstrass da convergencia uniforme allí. Para derivadas aparece un factor n, pero n(ρ/s)^(n−1) permanece acotado; el mismo mecanismo controla la serie derivada.

Por eso la suma es holomorfa dentro del radio, su derivada tiene el mismo radio y se puede integrar en caminos compactos interiores término a término. La conclusión es local sobre compactos; no se extiende automáticamente a la circunferencia frontera.

Derivar una geométrica

Σ desde n=0 de zⁿ=1/(1−z), |z|<1.

  1. Derivadas de términos

    El término cero desaparece y queda Σ desde n=1 de nzⁿ⁻¹.
  2. Derivada de la suma

    [1/(1−z)]′=1/(1−z)².
  3. Región

    La identidad derivada vale para |z|<1 y es uniforme en cada disco |z|≤ρ<1.

Resultado

Σ desde n=1 de nzⁿ⁻¹=1/(1−z)² dentro del disco unidad.

Lo comprobamos

En z=1 la serie derivada diverge; la operación interior no había afirmado nada allí.

Integrar hacia una rama de logaritmo

Integra la misma geométrica desde cero hasta z con |z|<1.

  1. Términos

    ∫ de wⁿ desde cero hasta z es z^(n+1)/(n+1).

  2. Primitiva

    Una primitiva de 1/(1−w) es −Log(1−w), con valor cero en w=0.

  3. Rama

    Si |w|<1, Re(1−w)>0: podemos usar la rama de logaritmo del semiplano derecho.

Resultado

Σ desde n=0 de z^(n+1)/(n+1)=−Log(1−z).

Lo comprobamos

El camino se mantiene en el disco y la rama está declarada; no se utiliza un logaritmo global multivaluado como función única.

5. Para Taylor los coeficientes quedan fijados por las derivadas en el centro

Si f es holomorfa en un disco alrededor de a, su Taylor tiene aₙ=f⁽ⁿ⁾(a)/n!.

No podemos cambiar esos coeficientes manteniendo la misma función en un entorno. La unicidad se comprueba derivando en el centro.

Las identidades algebraicas ayudan a encontrar la expansión, pero primero simplificamos singularidades removibles y declaramos la extensión cuando haga falta. Para funciones racionales, la distancia a la singularidad no removible más cercana determina el radio de la Taylor de esa extensión.

Una singularidad genuina limita el radio

Desarrolla 1/z alrededor de a=1.

  1. Cambiar variable

    z=1+(z−1), así que 1/z=1/[1+(z−1)].
  2. Geométrica

    Σ desde n=0 de (−1)ⁿ(z−1)ⁿ.
  3. Región

    |z−1|<1; el origen es una singularidad genuina a distancia uno del centro.

Resultado

La Taylor tiene radio 1.

Lo comprobamos

El centro es uno; la singularidad que limita el disco está en cero, no en el centro.

Una cancelación no debe crear una barrera falsa

Extiende (z−2)/[(z−2)(z+2)] en z=2 y desarrolla alrededor de a=1.

  1. Cancelar y extender

    Fuera de dos equivale a 1/(z+2), y damos valor 1/4 en dos.

  2. Geométrica

    1/[3+(z−1)]=Σ desde n=0 de (−1)ⁿ(z−1)ⁿ/3^(n+1).
  3. Radio

    La singularidad no removible está en −2, a distancia tres de uno; R=3.

Resultado

El punto removible dos no limita la Taylor de la extensión.

Lo comprobamos

Sin declarar la extensión, la fórmula original tenía un agujero en dos; la serie representa su prolongación holomorfa.

6. Laurent permite potencias negativas y por eso vive en un anillo

Si f es holomorfa en r<|z−a|<R, su Laurent se escribe Σ desde k=0 de cₖ(z−a)ᵏ más Σ desde m=1 de c₋ₘ(z−a)⁻ᵐ. Son dos series que deben converger; no es una suma bilateral reordenada sin condiciones.

En el anillo ambas convergen absolutamente y uniformemente en subanillos compactos. Las potencias negativas pueden exigir estar lejos del centro; las positivas, no alejarse demasiado. El centro no tiene por qué pertenecer al dominio.

Dos restricciones que se intersectan

Suma Σ desde n=0 de (z/3)ⁿ y Σ desde m=1 de z⁻ᵐ.

  1. Primera serie

    Converge cuando |z|<3, con suma 3/(3−z).
  2. Segunda

    Converge cuando |z|>1, con suma 1/(z−1).
  3. Ambas

    La región común es 1<|z|<3.
Resultado

La Laurent representa 3/(3−z)+1/(z−1) en ese anillo.

Lo comprobamos

No unimos las dos regiones: necesitamos que las dos series converjan en el mismo punto.

Una parte principal finita y una parte regular infinita

f(z)=eᶻ/z², z≠0.

  1. Taylor del numerador

    eᶻ=1+z+z²/2+z³/6+….
  2. Dividir

    f=z⁻²+z⁻¹+1/2+z/6+….
  3. Región

    La Taylor de la exponencial vale en todo el plano, por tanto esta Laurent vale en 0<|z|<∞.

Resultado

Solo hay dos términos de potencia negativa.

Lo comprobamos

La serie puede converger en todo el plano perforado sin que la función esté definida en el centro.

7. Un círculo del anillo recupera cada coeficiente

Para cualquier entero k y un radio r<ρ<R, cₖ=(1/(2πi))∮ f(z)/(z−a)^(k+1) dz sobre |z−a|=ρ positivo. Multiplicar por ese núcleo deja una sola potencia con integral no nula: (z−a)⁻¹. La convergencia uniforme sobre el círculo permite integrar término a término.

El resultado no depende del radio mientras permanezca en el mismo anillo. Esto prueba unicidad del desarrollo en esa región. c₋₁ es especialmente útil: la integral de f sobre el círculo es 2πi c₋₁. No se identifica automáticamente con una derivada en un centro excluido.

Extraer el coeficiente que ve una vuelta

f(z)=2z⁻³+5z⁻¹−1+3z².

  1. Leer

    c₋₁=5, aunque el término más singular sea 2z⁻³.
  2. Integrar

    Sobre cualquier círculo positivo centrado en cero, ∮f dz=2πi·5.

  3. Otros términos

    Las potencias −3, cero y dos tienen integral circular cero.

Resultado

La integral vale 10πi.

Lo comprobamos

El exponente más negativo describe otro dato; no es el que selecciona la integral sin núcleo adicional.

El núcleo puede seleccionar una potencia positiva

Usa la misma f y calcula ∮f(z)/z³ dz.

  1. Orden

    Para c₂, el núcleo es z⁻³.

  2. Producto

    El término 3z² se convierte en 3/z; ningún otro término produce exponente −1.

  3. Integral

    El resultado es 2πi·3=6πi.
Resultado

La fórmula recupera c₂=3.

Lo comprobamos

Aunque f tenga singularidad en cero, la fórmula de Laurent se usa sobre un círculo dentro de su anillo, no como Taylor en el centro.

8. La misma función tiene series diferentes cuando cambia el anillo

Tomemos h(z)=1/[(z−1)(z−3)], con centro cero.

Sus singularidades están a distancias uno y tres.

Descomponemos h=−1/[2(z−1)]+1/[2(z−3)].

En cada región elegimos si la razón pequeña es z/b o b/z.

Las distancias a los obstáculos separan los anillos de desarrollo
Centro 0 ; obstáculos 1 y 3013|z|<1 ; 1<|z|<3 ; |z|>3
Plano con centro cero y singularidades en uno y tres sobre el eje real. Las circunferencias de radios uno y tres delimitan las regiones de las expansiones centradas en cero: disco de radio uno, anillo entre uno y tres, y región exterior a tres. El mismo cociente racional puede tener series diferentes en esas regiones.

La unicidad vale dentro de una región fija. Dos desarrollos en anillos distintos pueden tener coeficientes diferentes sin contradicción. Antes de expandir escribimos la región solicitada; después comprobamos el módulo de cada razón geométrica.

El disco interior a ambos obstáculos

Desarrolla h para |z|<1.

  1. Primer factor

    1/(z−1)=−Σ desde n=0 de zⁿ.
  2. Segundo

    1/(z−3)=−(1/3)Σ desde n=0 de (z/3)ⁿ.
  3. Combinar

    h=(1/2)Σzⁿ−(1/6)Σ(z/3)ⁿ.
Resultado

Es una Taylor para |z|<1, con término constante 1/3.

Lo comprobamos

La restricción |z|<1 garantiza a la vez |z|<3; h(0)=1/3 confirma el término inicial.

El anillo entre los obstáculos

Desarrolla h para 1<|z|<3.

  1. Exterior al primero

    1/(z−1)=Σ desde n=0 de z⁻ⁿ⁻¹.
  2. Interior al segundo

    1/(z−3)=−(1/3)Σ desde n=0 de (z/3)ⁿ.
  3. Combinar

    h=−(1/2)Σz⁻ⁿ⁻¹−(1/6)Σ(z/3)ⁿ.
Resultado

Conviven potencias positivas y negativas en 1<|z|<3.

Lo comprobamos

No elegimos la Taylor del primer término: su razón z tendría módulo mayor que uno aquí.

La región exterior a ambos

Desarrolla h para |z|>3.

  1. Dos razones inversas

    1/(z−1)=Σz⁻ⁿ⁻¹ y 1/(z−3)=Σ3ⁿz⁻ⁿ⁻¹, n≥0.
  2. Combinar

    h=Σ desde n=0 de [(3ⁿ−1)/2]z⁻ⁿ⁻¹.
  3. Primeros términos

    El coeficiente de z⁻¹ es cero; empieza z⁻²+4z⁻³+13z⁻⁴+… .

Resultado

Esta Laurent exterior empieza con 1/z².

Lo comprobamos

Para |z| grande, el cociente original también se comporta como 1/z²; es una comprobación independiente del signo y el término inicial.

9. La parte negativa clasifica el centro solo si el anillo llega hasta él

Para clasificar una singularidad aislada en a necesitamos Laurent en 0<|z−a|<R, con radio interior cero. Sin potencias negativas es removible; con finitas negativas no nulas es un polo; con infinitas negativas no nulas es esencial.

Si el radio interior es positivo, la expansión no ve puntos arbitrariamente próximos al centro y no permite esa clasificación allí. La posición del anillo forma parte de la interpretación, no solo de la condición de convergencia.

Una singularidad que desaparece al completar un valor

f(z)=sin z/z, z≠0, alrededor de cero.

  1. Expandir

    sin z/z=1−z²/6+z⁴/120−….
  2. Parte principal

    No hay potencias negativas.

  3. Extender

    Dar f(0)=1 prolonga la función holomórficamente.
Resultado

El punto es removible.

Lo comprobamos

Que la fórmula original tuviera denominador cero no decide la clasificación después de la cancelación por series.

Comparar una parte negativa finita con una infinita

Usa 1/z² y e^(1/z) en el plano perforado.

  1. Polo

    1/z² tiene un único término negativo y un polo de orden dos.

  2. Esencial

    e^(1/z)=Σ desde n=0 de z⁻ⁿ/n! tiene infinitos coeficientes negativos no nulos.

  3. Regiones

    Ambas expansiones valen en 0<|z|<∞ y sí se acercan al centro.
Resultado

La segunda tiene singularidad esencial en cero.

Lo comprobamos

El número de términos negativos, no la existencia de una sola potencia negativa, separa polo de esencial.

Una cola negativa exterior no demuestra singularidad esencial

1/(z−3)=Σ desde n=0 de 3ⁿz⁻ⁿ⁻¹ para |z|>3.

  1. Región

    La serie exterior no incluye ningún punto cerca de cero.

  2. Función original

    1/(z−3) sí es holomorfa en cero y allí vale −1/3.

  3. Interpretación

    La cola negativa describe el exterior, no una singularidad del centro.

Resultado

No se clasifica cero como esencial con esa expansión exterior.

Lo comprobamos

La condición radio interior cero era necesaria para interpretar la parte principal como clasificación local.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Una geométrica

Desarrolla 1/(1−z) alrededor de cero.

  1. Patrón

    1/(1−z) tiene la forma de una suma geométrica con razón z.

  2. Suma finita

    1+z+…+zᴺ=(1−z^(N+1))/(1−z), si z≠1.
  3. Resto

    La diferencia respecto de la función es z^(N+1)/(1−z).

  4. Límite

    Para |z|<1 ese resto tiende a cero.
  5. Coeficientes

    Todos los coeficientes son uno y Cauchy–Hadamard da radio uno.

  6. Región

    En |z|≤ρ<1 el resto es ≤ρ^(N+1)/(1−ρ); en |z|=1 los términos no tienden a cero, así que diverge en toda la frontera.

Resultado

Σₙ₌₀∞zⁿ, radio 1.

Lo comprobamos

La función tiene una singularidad en z=1. En |z|=1 los términos zⁿ no tienden a cero, así que esta geométrica diverge en toda su frontera.

EJEMPLO RESUELTO 2

Un anillo exterior

Desarrolla 1/(z−1) para |z|>1.

  1. Región

    |z|>1 implica z≠0 y |1/z|<1.
  2. Factorizar

    1/(z−1)=(1/z)/(1−1/z).
  3. Geométrica

    1/(1−1/z)=Σ desde n=0 de z⁻ⁿ.
  4. Multiplicar

    Queda Σ desde n=0 de z⁻ⁿ⁻¹.
  5. Leer

    Los términos son z⁻¹+z⁻²+z⁻³+… .

  6. Comprobar

    El anillo es 1<|z|<∞; el resto tras n=N es z⁻ᴺ⁻²/(1−1/z) y tiende a cero.

    Esta expansión exterior no clasifica el centro.

Resultado

Σₙ₌₀∞z^(−n−1).

Lo comprobamos

Para |z| grande domina 1/z, coherente con el cociente original. Esta expansión exterior no clasifica el comportamiento de la función en cero.

Los símbolos que hemos usado

a
Centro del desarrollo.
Σaₙ(z−a)ⁿ
Serie de potencias con índices enteros no negativos.
R
Radio de convergencia, entre cero e infinito.
limsup
Límite superior: límite de los supremos de las colas.
r<|z−a|<R
Anillo abierto de validez de una serie de Laurent.
c_k
Coeficiente de la potencia entera k en Laurent, positiva o negativa.
Parte principal
Suma de los términos de exponente negativo.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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