调和级数能否构成全体正实数?

调和级数能否构成全体正实数?

好问题,让我想到了黎曼定理,有意思,等回头有空想一想。

Riemman定理

若级数非绝对收敛,则无论预先取怎样的数B(有限的或无限的 ), 都可以这样重新配置这级数中的项,使得变形后的级数具有和B。

级数是无限多项和,而我们前面对于有限多项和了解甚多,并且有限项和存在很多性质, 比如说结合律、交换律等等这些性质,那么对于无限多项和,也就是说级数来说,这些性质是否遵循呢?

本文就这些方面进行一些探讨和总结。

无穷项和对于有限项和的一些性质应用时要特别小心,比如可结合性来说,我们举个例子,就可以知道,级数对于可结合性不像有限项和的结合律:

振荡级数:

这样得到的新级数和原来的振荡级数不同。

这样得到的又是一个新的级数。

振荡级数本身不收敛,当我们将某些项结合在一起时,就得到了不同的新的级数。

对于收敛级数来说,我们是可以具有结合性的:

考虑收敛级数

用任意方式将它的项联合成若干组,但同时不改变它们的分布位置:

这里的 是从某一个自然数序列中抽出的关于下标的部分增序列。

定理: 从这些和组成的级数

恒收敛,并且具有与原级数相同的和。换句话说: 收敛级数具有可结合性。

这个定理直接从部分和关系就可得出:

新级数的部分和序列: 刚好就是原来的和的部分序列:

注:

下面给一个简单的例子:

确定级数 的收敛性。其中 表示 的整数部分。

我们可以将级数的项列一些出来:

前三项 , , 因此前面三项分别为:

紧接着5项 , , 因此前面三项分别为:

把这些具有相同符号的几个项作为级数的一项,那么得到的是交错级数: (1)

因为有不等式:

前面k个缩所加数为 , 总共k个, 因此前面k个和大于 ; 后面k+1个缩小加数为 , 共k+1个,因此后面k+1个和大于 ,因此左边不等式成立。

同理可以考虑右侧不等式: 左边k个放大为 ;右边k+1个放大为: , 因此右侧不等式也成立。

于是我们知道这个级数的通项趋于0, 就是Leibniz级数,收敛。

前面可结合性,仅仅要求级数收敛即可,但是对于可交换性,我们必须对级数收敛性要求提高,绝对收敛级数才满足可交换性。

假设级数(A)具有和A, 那么我们在级数(A)中以任意方式重新配置级数的项后,我们得到新的级数:

这个级数的每一项 跟原级数的一个确定的项 是相同的。

定理: 若级数(A)绝对收敛,则把它的项重新配置后得到的级数 也收敛,并且具有与原级数相同的和A。换句话说: 绝对收敛级数具有可交换性。

证: 证明过程分两个步骤,第一步骤先证明(A)为正项级数的情形,然后再证明(A)为任意项级数的情形。

(a) 若(A)为正项级数

考虑级数 的任意部分和

因为 因此我们可以取 大于所有的下标

显然有: , 因此更加有 。

这种情况下级数 收敛,并且它的和不超过A: 。

因为级数 , 地位完全对等,它们可以互相重新配置而得到对方,因此有:

综上,

(b) 若(A)为任意项级数

因为(A)是任意绝对收敛级数。

即 (A*)

按照上面证明的,在任意重新配置级数的项仍是收敛的,同时保持(A)的绝对收敛性。

另外,级数(A)绝对收敛情形下,它的和可以表示为 ,

其中P, Q均为正项级数,它们分别是(A)的正项和负项的绝对值组成的级数。重新配置级数,并不影响到它们的和P和Q, 因此级数(A)的和仍然是先前的和,结论得证。

非绝对收敛级数并不具备交换性: 在每个这样的级数中,由于级数的适当重新配置后,可能会改变他的和,或者甚至完全破坏它的收敛性。

假设级数(A)收敛,但非绝对收敛。因此其通项趋于零: 。对于从(A)中分离出来的正项分量和负向分量构成的级数(P)和(Q), 同样有 (2)

但在给定的情形下,它们两个级数都发散。

下面是它们的部分和之间的关系:

(3)

假设(P), (Q)中有一个收敛,不妨设(P)收敛,那么由(3)的第一个式子,我们必然推出(Q)收敛。

而(P), (Q)收敛,由(3)的第二个式子又推出( )的收敛性,即(A)绝对收敛,这与假设的条件矛盾。

若级数(A)非绝对收敛,则无论预先取怎样的数B(有限的或无限的 ), 都可以这样重新配置这级数中的项,使得变形后的级数具有和B。

证:

(a) B为有限的情形。

首先(A)非绝对收敛, 则(P), (Q)都发散,那么可以知道它们的任意余式都发散,这两个级数中的每一个都可以从任何地方开始,收集足够多的项,使得和超过任何一个数。

下面我们对级数(A)的项进行重新配置:

首先取一定数目的正项,保持它们在级数中的次序,使得它们的和超过数B:

然后在它们后面接着写出负项(同样按照它们在级数中的次序), 取足够多的项,使得总和小于B:

之后再放入一些正项,使得和大于B:

然后再收集一些负项,使得和小于B:

如此,按照这种方法不停做下去,显然级数(A)的每一项连同自己的符号,会在一定的位置出现。

根据这种方法,每当写出项p或q, 然后再在后面补充q或p的合适的像,则偏差,按绝对值不会超过最后所写出的项,则级数:

而我们每个括号里边的符号都是相同的,因此,去掉括号不影响级数的收敛性,结论依然成立。

(b) 若

我们只需要选取一个趋于无穷大的序列 , 我们可以收集到遵从我们的要求的正数,使得和依次大于 等等,从而负项收集的数只要一次放在每一个正数组之后,用这种方法,显然会做出具有和为 的级数。

类似地可以构造出来 的级数。

说明: (绝对收敛性与非绝对收敛性的本质区别)

2. 绝对收敛级数的收敛性,则根据这些项的减小速度,而与它们的次序无关。

(4)

重新配置一下这个级数:

(5)

调换后,这个级数的和减少了一半:

分别用 表示这两个级数的部分和,则:

于是

因为 都趋于同一个极限

因此,级数(5)收敛并趋于。

我们知道调和级数的部分和公式为:

(其中 为欧拉常数, )

我们可以推出:

现在把级数(4)的项排成这样的次序: 先放p个正项、然后放q个负项,然后再放p个正项,再放q个负项,如此下去。

(6)

然后我们把轮流p项和q项组合起来,再利用上面我们推导的公式,就可以得到级数的部分和

, 它趋于 ,

另外,很方便可知: 与上面的部分和相差一个无穷小量,也趋于同一个和。

因此,级数(6)的和为 。

有了上面的结论,简单描述一下:

轮流取p个正项、q个负项,得到的级数的和为 , 这样我们就可以根据这类级数的形式,直接写出其和。

比如我们前面这个级数:

2. , 轮流取1个正项,2个负项,因此和为

3.

4.

关于收敛级数的性质加法部分,我们先整理到这里,后面内容单独再整理,谢谢各位看官大老爷,一起学习探讨~~~~