问题

调和级数变形一下成为收敛了,能给个证明吗?

回答
调和级数,这个看似简单却又充满“韧性”的无穷级数, $1 + frac{1}{2} + frac{1}{3} + frac{1}{4} + dots$,是数学分析中的一个经典例子,它 Diverges(发散),这意味着它的和会趋向于无穷大。我们常说的“变形”让它收敛,其实是指通过一些巧妙的修改,使其变成一个新的、形式上与调和级数相似但却收敛的级数。

今天,我们就来聊聊一个非常常见的“变形”方法,让这个“不听话”的调和级数变得“乖巧”起来,变成一个收敛的级数。这个方法的核心在于:让级数中的某项变得足够“小”,以至于整体的无穷和能够被一个有限的数“约束”住。

我们来看这个变形后的级数:

$$ 1 frac{1}{2} + frac{1}{3} frac{1}{4} + frac{1}{5} frac{1}{6} + dots $$

这就是交错调和级数。注意到它和原来的调和级数最大的区别在于,相邻的项之间出现了负号的交替。本来是全加,现在变成了加减交替。

那么,这个看起来仅仅是加了几个负号的级数,为什么就从发散变成了收敛呢?这正是我们今天要详细拆解的重点。

为什么原调和级数会发散?

在我们深入探讨交错调和级数的收敛性之前,快速回顾一下为什么原调和级数发散是很重要的。这能帮助我们理解为什么“减号”如此关键。

一种直观但严谨的证明方法是分组求和法。我们把级数分成几组:

$$(1) + left(frac{1}{2} ight) + left(frac{1}{3} + frac{1}{4} ight) + left(frac{1}{5} + frac{1}{6} + frac{1}{7} + frac{1}{8} ight) + dots$$

然后,我们对每一组中的所有项进行放缩:

第一组:$1$
第二组:$frac{1}{2}$
第三组:$frac{1}{3} + frac{1}{4} > frac{1}{4} + frac{1}{4} = frac{2}{4} = frac{1}{2}$
第四组:$frac{1}{5} + frac{1}{6} + frac{1}{7} + frac{1}{8} > frac{1}{8} + frac{1}{8} + frac{1}{8} + frac{1}{8} = frac{4}{8} = frac{1}{2}$

以此类推,我们会发现,每组(除了第一组和第二组)的求和都大于 $frac{1}{2}$。所以,调和级数的和至少是:

$$1 + frac{1}{2} + frac{1}{2} + frac{1}{2} + dots$$

这个和显然是发散的。这表明,即使项本身越来越小,但如果“小”得不够快,无穷多项加起来也可能变成无穷大。

交错调和级数的收敛性证明

现在,让我们回到我们的明星级数:

$$S = 1 frac{1}{2} + frac{1}{3} frac{1}{4} + frac{1}{5} frac{1}{6} + dots$$

这个级数可以用一个紧凑的数学表达式表示为:

$$ sum_{n=1}^{infty} (1)^{n+1} frac{1}{n} $$

要证明它收敛,我们通常会使用莱布尼茨判别法(Leibniz Test for Alternating Series)。这个判别法是专门用来判断一类具有特定形式的交错级数是否收敛的。

莱布尼茨判别法有三个条件:

1. 级数必须是交错的,即项的符号交替出现(正、负、正、负,或负、正、负、正)。
2. 级数各项的绝对值是递减的,也就是说, $|a_n| ge |a_{n+1}|$ 对于所有的 $n$ 都成立。
3. 级数各项的绝对值的极限是零,即 $lim_{n o infty} |a_n| = 0$。

如果这三个条件都满足,那么这个交错级数就是收敛的。

让我们逐一来检验我们的交错调和级数:

$$ sum_{n=1}^{infty} (1)^{n+1} frac{1}{n} $$

这里的 $a_n = (1)^{n+1} frac{1}{n}$。

第一步:检验交错性

这个级数是 $1 frac{1}{2} + frac{1}{3} frac{1}{4} + dots$。我们可以看到,项的符号是正、负、正、负,交替出现。所以,条件 1 满足。

第二步:检验各项绝对值的递减性

我们需要检查 $|a_n| ge |a_{n+1}|$。
我们当前的级数项是 $a_n = (1)^{n+1} frac{1}{n}$。
所以, $|a_n| = left| (1)^{n+1} frac{1}{n} ight| = frac{1}{n}$。

现在比较 $|a_n|$ 和 $|a_{n+1}|$:
$|a_n| = frac{1}{n}$
$|a_{n+1}| = frac{1}{n+1}$

因为 $n$ 是一个正整数,所以 $n+1 > n$。
当分母变大时,分数的值会变小。因此, $frac{1}{n} > frac{1}{n+1}$。
这意味着 $|a_n| > |a_{n+1}|$ 对于所有的 $n ge 1$ 都成立。
所以,条件 2 满足。

第三步:检验各项绝对值的极限为零

我们需要计算 $lim_{n o infty} |a_n|$。
$lim_{n o infty} |a_n| = lim_{n o infty} frac{1}{n}$

当 $n$ 趋向于无穷大时, $frac{1}{n}$ 的值会越来越接近于零。
所以, $lim_{n o infty} frac{1}{n} = 0$。
因此,条件 3 满足。

结论

由于交错调和级数满足了莱布尼茨判别法的全部三个条件,我们可以断定,这个级数是收敛的。

更直观的理解和思考

莱布尼茨判别法给了我们一个严格的证明,但为什么会这样呢?我们可以试着从“累加”的角度去理解。

我们来看级数的部分和(Partial Sums)。设 $S_N$ 为前 $N$ 项的和:

$S_1 = 1$
$S_2 = 1 frac{1}{2} = frac{1}{2}$
$S_3 = 1 frac{1}{2} + frac{1}{3} = frac{1}{2} + frac{1}{3} = frac{5}{6}$
$S_4 = 1 frac{1}{2} + frac{1}{3} frac{1}{4} = frac{5}{6} frac{1}{4} = frac{103}{12} = frac{7}{12}$
$S_5 = frac{7}{12} + frac{1}{5} = frac{35+12}{60} = frac{47}{60}$
$S_6 = frac{47}{60} frac{1}{6} = frac{4710}{60} = frac{37}{60}$

观察这些部分和:
$S_1 = 1$
$S_2 = 0.5$
$S_3 approx 0.833$
$S_4 approx 0.583$
$S_5 approx 0.783$
$S_6 approx 0.617$

我们可以看到一种有趣的现象:
$S_1 > S_2$
$S_3 > S_2$
$S_3 > S_4$
$S_5 > S_4$
$S_5 > S_6$

也就是说,当我们在一个偶数项部分和后面加上一个正项(变成奇数项部分和)时,和会增加;而当我们在一个奇数项部分和后面加上一个负项(变成偶数项部分和)时,和会减小。

更进一步地,我们发现:
奇数项部分和序列 ($S_1, S_3, S_5, dots$) 是递减的。
$S_{2k+1} = S_{2k} + frac{1}{2k+1}$
$S_{2k+2} = S_{2k+1} frac{1}{2k+2}$
所以,$S_{2k+1} = S_{2k} + frac{1}{2k+1} = (S_{2k+2} + frac{1}{2k+2}) + frac{1}{2k+1}$
我们关注奇数项的递减性:$S_{2k+1} S_{2k+3}$。
$S_{2k+1} = S_{2k} + frac{1}{2k+1}$
$S_{2k+3} = S_{2k+2} + frac{1}{2k+3} = (S_{2k+1} frac{1}{2k+2}) + frac{1}{2k+3}$
$S_{2k+1} S_{2k+3} = S_{2k+1} [(S_{2k+1} frac{1}{2k+2}) + frac{1}{2k+3}]$
$S_{2k+1} S_{2k+3} = frac{1}{2k+2} frac{1}{2k+3} = frac{(2k+3) (2k+2)}{(2k+2)(2k+3)} = frac{1}{(2k+2)(2k+3)} > 0$
所以,奇数项部分和序列 ($S_1, S_3, S_5, dots$) 是递减的。

偶数项部分和序列 ($S_2, S_4, S_6, dots$) 是递增的。
$S_{2k+2} S_{2k} = (S_{2k+1} frac{1}{2k+2}) S_{2k}$
$S_{2k+2} S_{2k} = (S_{2k} + frac{1}{2k+1} frac{1}{2k+2}) S_{2k} = frac{1}{2k+1} frac{1}{2k+2} = frac{(2k+2) (2k+1)}{(2k+1)(2k+2)} = frac{1}{(2k+1)(2k+2)} > 0$
所以,偶数项部分和序列 ($S_2, S_4, S_6, dots$) 是递增的。

我们还有 $S_{2k} < S_{2k+1}$,这是显然的,因为 $S_{2k+1} = S_{2k} + frac{1}{2k+1}$,而 $frac{1}{2k+1} > 0$。

这样,我们就有了:
偶数项部分和序列是递增的:$S_2 < S_4 < S_6 < dots$
奇数项部分和序列是递减的:$S_1 > S_3 > S_5 > dots$
并且,任何一个偶数项部分和都小于任何一个奇数项部分和:$S_{2k} < S_{2m+1}$ (因为 $S_{2k} < S_{2k+2} < dots < S_{2m} < S_{2m+1}$)。

这样的序列,我们称它们被“夹”住了。递增的偶数项部分和序列有一个上界(比如 $S_1$),所以它必定收敛到一个极限 $L_{even}$。递减的奇数项部分和序列有一个下界(比如 $S_2$),所以它必定收敛到一个极限 $L_{odd}$。

而我们刚刚证明了 $S_{2k+1} S_{2k+3} = frac{1}{(2k+2)(2k+3)}$。
我们再看看奇偶项部分和的差值:
$S_{2k+1} S_{2k} = frac{1}{2k+1}$
$S_{2k+2} S_{2k} = frac{1}{(2k+1)(2k+2)}$
$S_{2k+1} S_{2k+2} = frac{1}{2k+2}$

最重要的关系是:
$S_{2k+1} S_{2k} = frac{1}{2k+1}$
而 $S_{2k+2} = S_{2k+1} frac{1}{2k+2}$。
所以,$S_{2k+1} S_{2k+2} = frac{1}{2k+2}$。
当 $k o infty$ 时,$frac{1}{2k+1} o 0$ 且 $frac{1}{2k+2} o 0$。

这意味着,$L_{even}$ 和 $L_{odd}$ 之间的差值趋向于零。既然它们之间的差值趋向于零,那么它们必然相等。设这个共同的极限为 $L$。

当这个交错级数的部分和序列的奇数项和与偶数项和都收敛到同一个值时,整个级数就收敛到这个值。

这个级数实际上收敛于 $ln(2)$(自然对数 2)。所以,这个变形“神奇地”把一个发散的级数变成了一个著名的收敛级数,它的值正好是 $ln(2) approx 0.693147$。

通过调整符号,我们巧妙地抵消了原调和级数中项的“累积效应”,使得每一项的贡献都被更有效地“管理”起来,最终让无穷的累加可以被一个有限的数值所容纳。这就是数学的魅力所在,一个看似微小的变化,却能带来本质的区别。

网友意见

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当 :
,所以部分和 当 时收敛(单调有界)。

设 ,那么对任意 存在 使得对 有 。所以对于 有 ,这样就有 ,所以级数收敛。

当 :
,所以级数发散。

当 :
,所以级数发散。

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