home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #27 / NN_1992_27.iso / spool / sci / physics / 19412 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-11-22  |  3.9 KB  |  82 lines

  1. Newsgroups: sci.physics
  2. Path: sparky!uunet!stanford.edu!CSD-NewsHost.Stanford.EDU!Sunburn.Stanford.EDU!pratt
  3. From: pratt@Sunburn.Stanford.EDU (Vaughan R. Pratt)
  4. Subject: Taylor-Laurent series
  5. Message-ID: <1992Nov22.205723.18722@CSD-NewsHost.Stanford.EDU>
  6. Sender: news@CSD-NewsHost.Stanford.EDU
  7. Organization: Computer Science Department,  Stanford University.
  8. References: <1992Nov17.231944.13221@meteor.wi> <1541700007@gn.apc.org>
  9. Date: Sun, 22 Nov 1992 20:57:23 GMT
  10. Lines: 70
  11.  
  12. In article <1541700007@gn.apc.org> antennae@gn.apc.org (Indra) writes:
  13. >
  14. >I see that a mathematician has taken up the cudgels on behalf of
  15. >Prof Abian on the vexed question of whether 1/(z + 2z + 3z^2) is
  16. >unequal to 1/(3z^2 + 2z + z) - I'm not sure that I've remembered
  17. >this correctly - and asserts that Abian is in fact correct.
  18.  
  19. What was nice about the example (which was 1/(z^2-3z+2) =
  20. 1/((z-1)(z-2))) was that the division *process* yielded different
  21. series valid in different regions of the plane, simply by permuting the
  22. terms in the denominator.  I won't vouch for his actual arithmetic.
  23.  
  24. Here's what's going on behind the scenes.  (I'm a bit rusty so there
  25. may be minor bugs.  I teach algebraic logic in a calculus-free
  26. environment and haven't touched this stuff for nearly 30 years.)
  27.  
  28. The Laurent expansion of a complex function f(z) about 0 represents
  29. f(z) as a linear combination of both positive and negative powers of z:
  30.  
  31.                   -2       -1                    2
  32.     ... + a  z   + a  z   + a  +  a z  +  a z  + ...
  33.            -2       -1       0     1       2
  34.  
  35. A Laurent expansion with no negative powers of z is called a Taylor
  36. expansion.
  37.  
  38. Such an expansion of f(z) need not converge everywhere on the complex
  39. plane, but where it does we say that it is a *valid* expansion of
  40. f(z).  Its domain of convergence is a maximal pole-free annulus
  41. centered on 0.
  42.  
  43. For example 1/(z-1) (which is its own expansion about 1) can be
  44. expanded about 0 as -1/(1-z) = -1 - z - z^2 - ..., valid for |z| < 1.
  45. But it can also be expanded as 1/z * 1/(1-1/z)
  46. = 1/z + 1/z^2 + 1/z^3 + ..., valid for |z| > 1.
  47.  
  48. Note the pole at z=1, on the common boundary of the two annuli.
  49.  
  50. These two are the only expansions of 1/(z-1) for which there exists an
  51. open neighborhood in which they are valid.  (One might offer the
  52. one-term series -1/2 as an expansion of 1/(z-1) valid at the point -1,
  53. which "open neighborhood" defeats.  Nicest is to define validity at a
  54. point to mean validity in an open neighborhood of that point.)
  55.  
  56. Now where does one get the a_i's from?  I got the above two by a little
  57. algebra and table lookup for 1/(1-z).  Somewhat more generally one can
  58. use division as Abian does.  However the definitive method calculates
  59. a_i as the integral of f(z)/z^{i+1}, divided by 2 pi i.  This
  60. integration is performed once counterclockwise around the annulus.
  61. (More precisely, around any oriented loop confined to the annulus that
  62. winds once counterclockwise around the origin.)
  63.  
  64. Abian's example of 1/((z-1)(z-2)) has poles at 1 and 2, and hence its
  65. expansion about 0 calls for three annuli, each with its own expansion.
  66. What Abian has hinted at vaguely is a method of computing the expansion
  67. for any given annulus by dividing by the polynomial with its terms
  68. permuted appropriately for that annulus.  Since a degree n-1 polynomial
  69. will have at most n annuli and n! permutations of terms it is clear
  70. that there are more than enough permutations to go around.  What's not
  71. clear is his method, which I've not seen the likes of before (maybe he
  72. only uses the cyclic permutations).  However I don't work in this area
  73. and for all I know it could be stock standard.
  74.  
  75. What I *have* looked for without success is a symbolic algebra system
  76. which can perform Laurent expansion in a specified annulus.  Since the
  77. process should be hidden to the users, we shouldn't know whether it
  78. uses contour integration or polynomial division, though the latter may
  79. well be faster.  How about it, algebra hackers?
  80. -- 
  81. Vaughan Pratt              A fallacy is worth a thousand steps.
  82.