Potenzreihe

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Dieser Artikel beschäftigt sich mit Potenzreihen, die der Beschreibung von reellen oder komplexen Funktionen dienen. Für formale Potenzreihen siehe dort.

Unter einer Potenzreihe versteht man in der Analysis eine unendliche Reihe der Form

mit

  • einer beliebigen Folge von reellen oder komplexen Zahlen
  • dem Entwicklungspunkt der Potenzreihe.

Potenzreihen spielen eine wichtige Rolle in der Funktionentheorie und erlauben oftmals eine sinnvolle Fortsetzung von reellen Funktionen in die komplexe Zahlenebene. Insbesondere stellt sich die Frage, für welche reellen oder komplexen Zahlen eine Potenzreihe konvergiert. Diese Frage führt zum Begriff des Konvergenzradius.

Konvergenzradius[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Konvergenzradius

Als Konvergenzradius einer Potenzreihe um den Entwicklungspunkt ist die größte Zahl definiert, für welche die Potenzreihe für alle mit konvergiert. Die offene Kugel mit Radius um nennt man Konvergenzkreis. Der Konvergenzradius ist also der Radius des Konvergenzkreises. Falls die Reihe für alle konvergiert, so sagt man, der Konvergenzradius ist unendlich. Konvergiert sie nur für , so ist der Konvergenzradius 0, dies wird manchmal auch nirgends konvergent genannt.

Bei Potenzreihen lässt sich der Konvergenzradius mit der Formel von Cauchy-Hadamard berechnen. Es gilt:

In diesem Zusammenhang definiert man und

In vielen Fällen kann der Konvergenzradius bei Potenzreihen mit nicht-verschwindenden Koeffizienten einfacher auf folgende Weise berechnet werden. Es gilt nämlich

sofern dieser Limes existiert.

Beispiele[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Jede Polynomfunktion lässt sich als Potenzreihe mit Konvergenzradius unendlich auffassen, wobei alle Koeffizienten mit Ausnahme von endlich vielen gleich 0 sind. Wichtige andere Beispiele sind auch Taylorreihen und die Maclaurinsche Reihe. Funktionen, die sich durch Potenzreihen darstellen lassen, werden auch Analytische Funktionen genannt. Hier noch beispielhaft die Potenzreihendarstellung einiger bekannter Funktionen:

  • Exponentialfunktion: für alle , d. h. der Konvergenzradius ist unendlich.
  • Sinus:
  • Kosinus:
Der Konvergenzradius ist sowohl für den Sinus als auch für den Kosinus unendlich. Die Potenzreihendarstellung ergibt sich direkt mit der eulerschen Formel aus der Exponentialfunktion.
  • Logarithmusfunktion:
für , d. h. der Konvergenzradius ist 1. Für ist die Reihe konvergent, für divergent.
  • Wurzelfunktion: für , d. h. der Konvergenzradius ist 1 und die Reihe konvergiert sowohl für als auch für .

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Potenzreihen sind innerhalb ihres Konvergenzkreises normal konvergent. Daraus folgt direkt, dass jede durch eine Potenzreihe definierte Funktion stetig ist. Des Weiteren folgt daraus, dass auf kompakten Teilmengen des Konvergenzkreises gleichmäßige Konvergenz vorliegt. Dies rechtfertigt das gliedweise Differenzieren und Integrieren einer Potenzreihe und zeigt, dass Potenzreihen unendlich oft differenzierbar sind. Des Weiteren liegt innerhalb des Konvergenzkreises absolute Konvergenz vor. Über das Verhalten einer Potenzreihe am Rand des Konvergenzkreises kann keine allgemeine Aussage getroffen werden, in manchen Fällen erlaubt es aber der abelsche Grenzwertsatz, eine Aussage zu treffen.

Die Potenzreihendarstellung einer Funktion um einen Entwicklungspunkt ist eindeutig bestimmt (Identitätssatz für Potenzreihen). Insbesondere ist für einen gegebenen Entwicklungspunkt die Taylorentwicklung die einzig existente Potenzreihendarstellung.

Operationen mit Potenzreihen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Addition und skalare Multiplikation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Sind und zwei Potenzreihen

mit dem Konvergenzradius und ist eine reelle beziehungsweise komplexe Zahl, dann sind auch und wieder Potenzreihen mit Konvergenzradius mindestens und es gilt

Multiplikation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Produkt zweier Potenzreihen mit dem Konvergenzradius ist ebenfalls eine Potenzreihe mit einem Konvergenzradius, der mindestens ist. Da im Inneren des Konvergenzkreises absolute Konvergenz vorliegt, gilt dann nach der Cauchy-Produktformel

Die Folge wird dabei als Faltung oder Konvolution der beiden Folgen und bezeichnet.

Verkettung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Sind und zwei Potenzreihen

mit positiven Konvergenzradien und der Eigenschaft

Dann ist die Verkettung beider Funktionen lokal wieder eine analytische Funktion und somit um in eine Potenzreihe entwickelbar:

Nach dem Satz von Taylor gilt:

Mit der Formel von Faà di Bruno kann man diesen Ausdruck nun in einer geschlossenen Formel in Abhängigkeit von den gegebenen Reihenkoeffizienten angeben, da:

Man erhält mit Multiindex-Schreibweise:

Dabei ist der Multinomialkoeffizient zu .

Differentiation und Integration[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine Potenzreihe ist im Inneren ihres Konvergenzkreises differenzierbar und die Ableitung ergibt sich durch gliedweise Differentiation.

Hierbei ist beliebig oft differenzierbar und es gilt:

Analog erhält man eine Stammfunktion durch gliedweise Integration einer Potenzreihe.

In beiden Fällen entspricht der Konvergenzradius dem der ursprünglichen Reihe.

Darstellung von Funktionen als Potenzreihen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Oftmals ist man zu einer gegebenen Funktion an einer Potenzreihendarstellung interessiert, insbesondere um die Frage zu beantworten, ob die Funktion analytisch ist. Es gibt einige Strategien, um eine Potenzreihendarstellung zu bestimmen. Die allgemeinste ist mittels der Taylorreihe. Hier tritt aber oft das Problem auf, dass man eine geschlossene Darstellung für die Ableitungen benötigt, welche oftmals schwer zu bestimmen ist. Für gebrochen rationale Funktionen gibt es jedoch einige leichtere Strategien. Als Beispiel soll die Funktion

betrachtet werden.

Mittels der geometrischen Reihe

Durch Faktorisieren des Nenners und anschließender Anwendung der geometrischen Reihenformel erhält man folgende Darstellung der Funktion als Produkt von unendlichen Reihen

Beide Reihen sind Potenzreihen um den Entwicklungspunkt und können daher in der oben genannten Weise multipliziert werden. Dasselbe Ergebnis liefert auch die Cauchy-Produktformel

mit

und

Daraus folgt durch Anwendung der geometrischen Summe

als geschlossene Darstellung für die Koeffizientenfolge der Potenzreihe. Damit ist die Potenzreihendarstellung der Funktion um den Entwicklungspunkt 0 gegeben durch

.
Durch Koeffizientenvergleich

Oftmals ist der Weg über die geometrische Reihe umständlich und fehleranfällig. Deshalb bietet sich folgender Ansatz an: Man nimmt an, dass eine Potenzreihendarstellung der Funktion mit unbekannter Koeffizientenfolge existiert

Nach dem Durchmultiplizieren des Nenners und einer Indexverschiebung ergibt sich die Identität

Da aber zwei Potenzreihen genau dann gleich sind, wenn ihre Koeffizientenfolgen identisch sind, ergibt sich durch Koeffizientenvergleich sowie die Rekursionsgleichung , aus welcher mittels vollständiger Induktion die obige geschlossene Darstellung folgt.

Das Vorgehen mittels Koeffizientenvergleich hat auch den Vorteil, dass andere Entwicklungspunkte als möglich sind. Betrachte als Beispiel den Entwicklungspunkt . Zuerst muss die gebrochen rationale Funktion als Polynom in dargestellt werden:

Analog zu oben nimmt man nun an, dass eine formale Potenzreihe um den Entwicklungspunkt existiert mit unbekannter Koeffizientenfolge und multipliziert mit dem Nenner durch:

.

Wieder ergibt sich mittels Koeffizientenvergleich und als Rekursionsgleichung für die Koeffizienten

.

Durch Partialbruchzerlegung

Wendet man auf die gegebene Funktion zuerst Polynomdivision und dann die Partialbruchzerlegung an, so erhält man die Darstellung

.

Durch Einsetzen der geometrischen Reihe ergibt sich

.

Die ersten drei Folgenglieder der Koeffizientenfolge sind alle null und damit stimmt die hier gegebene Darstellung mit der oberen überein.

Verallgemeinerungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Potenzreihen lassen sich nicht nur für definieren, sondern sind auch verallgemeinerbar. So sind z. B. das Matrixexponential und der Matrixlogarithmus Verallgemeinerungen von Potenzreihen auf dem Raum der quadratischen Matrizen. Betrachtet man auch negative Exponenten, so spricht man von einer Laurent-Reihe. Erlaubt man den Exponenten auch gebrochene Werte anzunehmen, handelt es sich um eine Puiseauxreihe.

Formale Potenzreihen werden beispielsweise als erzeugende Funktionen in der Kombinatorik und der Wahrscheinlichkeitstheorie (etwa als wahrscheinlichkeitserzeugende Funktionen) verwendet. In der Algebra werden formale Potenzreihen über allgemeinen kommutativen Ringen untersucht.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]