问题

为什么条件收敛的级数重排后,即使收敛,也不一定收敛于原来的级数和?

回答
你这个问题触及到了数学中一个非常有趣且有些反直觉的领域——条件收敛性。它就像一条“潜规则”,在数字的海洋里,一旦某个级数被贴上了“条件收敛”的标签,它的排列顺序就变得至关重要,稍微一动,你可能就会发现它变脸了,收敛到完全不同的地方,甚至干脆不收敛了。

咱们先来点基础概念热身。

什么叫级数?

简单来说,级数就是一堆数按顺序加起来。比如 $1 + 1/2 + 1/4 + 1/8 + dots$ 这是一个无穷的加法。我们关心的是,随着我们加的项越来越多,这个“总和”会趋近于一个确定的值吗?如果趋近,我们就说这个级数“收敛”;如果它无限地变大,或者忽高忽低,我们就说它“发散”。

绝对收敛 vs. 条件收敛

这里就到了今天的重点。级数的收敛性,咱们可以从两个角度来看:

1. 绝对收敛(Absolute Convergence):一个级数 $sum a_n$ 被称为绝对收敛,如果把级数中的每一项都变成它的绝对值,构成的级数 $sum |a_n|$ 仍然收敛。

打个比方,绝对收敛就像你借钱,虽然你可能会还给别人,但你最终欠的总数是确定的,即使把所有“借”和“还”都看成是“支出”,你的总支出也是有上限的。

一个很重要的性质是:绝对收敛的级数,无论你怎么重排它的项,它最终收敛的和永远是同一个值。 这就像是你手里的钱,你怎么花,最终剩下的钱数是一定的。

2. 条件收敛(Conditional Convergence):一个级数 $sum a_n$ 被称为条件收敛,如果它本身收敛,但把每一项变成绝对值后,构成的级数 $sum |a_n|$ 却发散。

条件收敛就有点意思了。它意味着这个级数能收敛,是因为正项和负项之间精妙的抵消。没有了这个抵消,只剩下正的(或只剩下负的)那部分,总和就会变得无穷大。

想象一下,你在走一条崎岖的山路,时不时会有一个向前的台阶,但有时也会有一个向后的坑。如果你按照固定的步子走(固定的级数顺序),最终你可能会到达某个目的地。但如果有人说:“嘿,咱们换个顺序走!先跳过前面几个台阶,再回去填几个坑”,结果可能就完全不同了。

为什么重排会“捣乱”?

核心原因就在于“抵消”这个特性。对于条件收敛的级数,比如那个著名的交错调和级数:

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

我们知道,这个级数是收敛的,它的和恰好是 $ln(2)$,大约是 $0.693$。

但是,如果我们看看它的绝对值版本:

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

这就是调和级数,它会发散到无穷大。这说明,原来的交错调和级数之所以能收敛,完全是依靠正负项之间的“拉锯战”,精确地抵消掉了大部分的“无穷”。

现在,想象一下我们来重排它。我们可以试着“照顾”一下那些正项,让它们先多加一些进来,然后再来处理负项。

黎曼重排定理(Riemann Rearrangement Theorem)

这个定理是解释这一切的关键。它告诉我们一个令人震惊的事实:

对于任何条件收敛的级数,你可以通过重排它的项,使得重排后的级数收敛到任何你想要的实数,甚至可以发散到正无穷或负无穷。

这听起来太不可思议了,对吧?就像你可以把一堆积木搭成任何你想要的形状,甚至可以让他们自己堆到天上。

具体是怎么做到的呢?

让我们以交错调和级数 $1 frac{1}{2} + frac{1}{3} frac{1}{4} + dots$(和为 $ln 2$)为例,看看如何重排它来得到一个不同的和,比如 $1$。

1. 目标: 我们想让级数收敛到 $1$。
2. 策略: 我们的级数有一个无穷多的正项($1, 1/3, 1/5, dots$)和一个无穷多的负项($1/2, 1/4, 1/6, dots$)。
首先,我们把所有的正项依次加进来,直到它们的和第一次超过了我们的目标值 $1$。
$1$ (和是 $1$)。 哦,正好等于 $1$ 了,那就试试更激进一点,我们期望的是“超过” $1$,然后用负项把它拉回来。
$1 + frac{1}{3} = frac{4}{3}$。 这时候,和是 $4/3$,已经大于 $1$ 了。
现在,和是 $4/3$(大于 $1$),我们开始加上负项,直到和第一次小于或等于我们的目标值 $1$。
$frac{4}{3} frac{1}{2} = frac{83}{6} = frac{5}{6}$。 这个和是 $5/6$,小于 $1$ 了。
接下来,和是 $5/6$(小于 $1$),我们再次加上剩余的正项,直到和第一次大于 $1$。
$frac{5}{6} + frac{1}{5} = frac{25+6}{30} = frac{31}{30}$。 这个和是 $31/30$,大于 $1$ 了。
现在,和是 $31/30$(大于 $1$),我们再次加上剩余的负项,直到和第一次小于或等于 $1$。
$frac{31}{30} frac{1}{4} = frac{6215}{60} = frac{47}{60}$。 这个和是 $47/60$,小于 $1$ 了。

你看,这个过程就像是在“玩弄”数字,不断地让总和在目标值附近徘徊。我们不断地添加正项,让总和“冲过”目标,然后再添加负项,让总和“跌落”到目标以下。

为什么这个过程总是能完成,并且级数会收敛到目标值?

这背后是正负项的“力量对比”。

正项部分:$1, 1/3, 1/5, dots$ 它们加起来是发散的(因为 $sum |a_n|$ 发散)。这意味着,无论你取多少正项,总有一个时候它们的和会变得任意大。
负项部分:$1/2, 1/4, 1/6, dots$ 它们加起来也是发散的(因为 $sum |a_n|$ 发散)。

然而,对于条件收敛的级数,当你看正负项的“速率”时,是正项增长的速率比负项增长的速率慢。更技术地说,正项的和趋向无穷大,但负项的和也趋向负无穷大,而且它们抵消的速度恰好能“平衡”住。

具体到我们的例子 $1 frac{1}{2} + frac{1}{3} frac{1}{4} + dots$:

正项的和:$1 + frac{1}{3} + frac{1}{5} + dots$ (发散)
负项的和:$frac{1}{2} frac{1}{4} frac{1}{6} dots$ (发散)

当我们按照上面的策略重排时:

1. 我们取的正项($1, 1/3, 1/5, dots$)的增长速度,相对于我们取负项($1/2, 1/4, 1/6, dots$)的速度来说,是“更强劲”一些(即使它们本身都增长得慢)。
2. 即使我们用负项把总和拉下来,总有一个时候,剩下的正项(比如 $1/2k+1$ 这样的项)会变得非常小,以至于即使把它加进去,也只会让总和轻微地上升一点点。
3. 相反,那些“被忽略”的负项(比如 $1/(2k)$ 这样的项)虽然也很小,但它们抵消的“力量”同样会越来越弱。

关键在于,即使是发散的调和级数,$1 + 1/2 + 1/3 + dots$,它的增长速度是缓慢的(增长率是 $ln n$)。而对于交错调和级数,它的正负项加起来,其“净增长”是受控制的,所以你可以通过有策略地选择正负项的顺序,让这个“净增长”最终趋向于任何你想要的值。

总结一下:

条件收敛的级数之所以在重排后会“变脸”,是因为它的收敛性是建立在正负项之间一个非常精妙的、动态的平衡之上的。一旦你打乱了这个平衡的顺序,比如为了让总和达到某个值而多加正项,或者少加负项,原有的平衡就会被破坏。

绝对收敛:就像是只收钱(所有项都是正的),你收入的总额是固定的,怎么花(重排)都不会影响你总的资产。
条件收敛:就像是你既收钱也花钱,而且收支大概是持平的(总体上收敛),但具体今天赚了多少,明天花了多少,会影响你账户余额的“过程”。如果你改变了赚钱和花钱的顺序,账户余额的变化轨迹就会完全不同,甚至可能因此导致你寅吃卯粮(发散),或者意外地积攒了一笔钱(收敛到另一个值)。

黎曼重排定理就是这个“变脸”过程的终极证明。它展示了条件收敛级数重排的巨大灵活性,同时也提醒我们,在数学的世界里,事物的“秩序”和“规矩”是多么重要。一旦打破了这些规矩,我们可能就会面对一个完全陌生的“新世界”。

网友意见

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感想

极限这个东西,常学常新,总是一再挑战着人类有限的认知。

极限最特别的地方就在于它从不在乎眼下一城一池的得失,而是一切向后看。部分和永远可以交换求和顺序而不改变其结果,但是不同的顺序意味着部分和以不同的方式收敛到某个极限,抑或是发散。 收敛准则告诉我们,部分和之间的振幅能否被很好的控制,是收敛的关键,而收敛到什么地方,是由初始若干多项确定其大致方位(原始积累阶段),然后是后面无穷多项的波动确定精确的位置(微调阶段)。求和顺序不同,很可能会导致初始位置的巨大偏差,即便有后面无穷次的微调,也无济于事。这就是为什么求和顺序会影响级数结果。

如下证明充分利用了两点:

  • 调和级数发散——总可以在有限步超过给定的非负数;
  • 一般项趋于 0 ——部分和超过 的部分不断下降。

于是一个非常朴素的想法:多减少增,是使部分和围绕极限波动的手段。由此观之,此两点缺一不可,于是条件收敛级数的全部奥义被发挥到了极致。

例证

我们以下面条件收敛级数为例:

经过重排后,可以收敛到任意的

  • 若 ,则

(证略)

我们知道前一个级数是发散至无穷的,后者是收敛的,所以

  • 若 ,下面证明

存在 ,满足

其中 表示对奇数 求和, 表示对偶数 求和. 调和级数的发散性保证了 的存在性. 于是立即有

定义

存在 ,满足

立即有

定义:

重复以上步骤,且满足 我们会得到单调递增的正整数序列 ,与之相对应的,有重排后的 的部分和序列

(注意到按照上述方式排列所有的正整数都会不重不漏地列举出来)自然满足:

对于一般项 总是介于 , 之间,设 介于 , 之间. 从 至 具有单调性(不是奇数项的累加,就是偶数项的削减). 于是:

结合 式有

所以接下来需要对 估计( 同理).

这个小于号成立是因为(下面将证明),这个求和的项数总是有界的,即 故而由 可得

于是以上构造的部分和序列 是一个收敛到 的 列.

最后证明上面的断言. 由 公式,

解得

由于 被严格控制,故

于是得到 式的估计


结论

综上,我们可以使得条件收敛的级数 经过重排后,构造了收敛到任意的 的部分和序列. 并且证明的本身也反应了顺序对于收敛极限的影响. 不局限于级数 ,对于一般的条件收敛级数该性质依然成立,这即是黎曼条件收敛级数定理.


代码

将上述过程编成的 语言代码:

       #黎曼条件级数定理特例的验证 #S = 1 -1/2 + 1/3 - 1/4 +... #给定极限A,画出前n项部分和序列 S <- function(n, A, cex = 0.5) {     ans = c()     plot(0, 0, type = "n", cex = cex, pch = 19,          xlim = c(0,n), ylim = c(A - 1,A + 1), xlab = "n", ylab = "Sn")     s = 0; i = 1; j = 1     m = 1    #偶数项     while(i <= n)    #奇数项自然增长     {             while(s <= A)             {             s = s + 1/j             points(i, s, cex = cex, pch = 19)             ans = c(ans, j)             j = j + 2             i = i + 1              if(i == n)return(list("近似值" = s,"换序结果" = ans))         }          while(s > A)    #偶数项的调整             {             ans = c(ans, -2*m)             s = s + 1/ans[i]             i = i + 1             if(i == n)return(list("近似值" = s,"换序结果" = ans))             points(i, s, cex = cex, pch = 19)             m = m + 1          }       }       return(list("近似值" = s,"换序结果" = ans))     }     


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