好的,我们来详细地探讨一下如何利用积分第二中值定理和柯西收敛准则来证明Abel判别法。这两种工具在分析学中扮演着关键角色,尤其是在处理级数收敛性的时候。
Abel 判别法的回顾
首先,我们先回顾一下 Abel 判别法的内容。
Abel 判别法: 设 ${b_n}_{n=1}^infty$ 是一个单调递减且收敛于零的实数列,即 $b_n ge b_{n+1} > 0$ 且 $lim_{n o infty} b_n = 0$。如果级数 $sum_{n=1}^infty a_n$ 的部分和序列 ${A_n}_{n=1}^infty$,其中 $A_n = sum_{k=1}^n a_k$,是有界的,那么级数 $sum_{n=1}^infty a_n b_n$ 收敛。
证明思路概览
我们的目标是证明 $sum_{n=1}^infty a_n b_n$ 收敛。根据柯西收敛准则,一个级数收敛当且仅当其任意部分的和的差的绝对值可以任意小。也就是说,我们需要证明:
对于任意给定的 $epsilon > 0$,存在一个正整数 $N$,使得对于任意 $n > m ge N$,都有 $|sum_{k=m+1}^n a_k b_k| < epsilon$。
这里,积分第二中值定理将作为我们处理 $sum_{k=m+1}^n a_k b_k$ 的关键工具,它能帮助我们将这个求和形式转化为一个更易于分析的形式。
详细证明过程
第一步:利用求和与积分的类比,引入求和技巧
虽然我们处理的是级数求和,但我们常常可以借鉴积分的技巧,尤其是“分部求和法”,它类似于积分中的“分部积分法”。对于求和 $sum_{k=m+1}^n a_k b_k$,我们可以使用分部求和公式:
$sum_{k=m+1}^n a_k b_k = (a_{m+1} + dots + a_n)b_{n+1} sum_{k=m+1}^n (b_{k+1} b_k)(a_{m+1} + dots + a_k)$
为了方便表达,我们定义 $A_k = sum_{i=1}^k a_i$,并且规定 $A_0 = 0$。那么 $a_k = A_k A_{k1}$。
现在,我们将求和表达式重写为:
$sum_{k=m+1}^n a_k b_k = sum_{k=m+1}^n (A_k A_{k1}) b_k$
我们可以对这个表达式进行分部求和(也称为 Abel 变换):
$sum_{k=m+1}^n (A_k A_{k1}) b_k = sum_{k=m+1}^n A_k b_k sum_{k=m+1}^n A_{k1} b_k$
$sum_{k=m+1}^n A_k b_k = A_n b_n A_{m+1} b_{m+1} + sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})$
将第二项中的 $A_{k1}$ 换成 $A_k$(只需将索引调整一下)并结合起来:
$sum_{k=m+1}^n A_k b_k sum_{k=m+1}^n A_{k1} b_k = A_n b_n A_m b_{m+1} sum_{k=m+1}^{n1} A_k b_{k+1}$
现在,我们尝试另一种分组方式,这更接近积分第二中值定理的思路。
$sum_{k=m+1}^n a_k b_k = a_{m+1}b_{m+1} + a_{m+2}b_{m+2} + dots + a_nb_n$
我们利用 $a_k = A_k A_{k1}$:
$sum_{k=m+1}^n a_k b_k = (A_{m+1} A_m)b_{m+1} + (A_{m+2} A_{m+1})b_{m+2} + dots + (A_n A_{n1})b_n$
现在,我们对求和项进行分组,将 $A_k$ 提出来:
$= A_{m+1}b_{m+1} A_m b_{m+1} + A_{m+2}b_{m+2} A_{m+1}b_{m+2} + dots + A_n b_n A_{n1}b_n$
$= A_m b_{m+1} + A_{m+1}(b_{m+1} b_{m+2}) + A_{m+2}(b_{m+2} b_{m+3}) + dots + A_{n1}(b_{n1} b_n) + A_n b_n$
我们可以把 $A_m b_{m+1}$ 这一项也处理一下,注意到 $b_{m+1} = b_{m+1} b_{m+2} + b_{m+2} dots + b_n b_{n+1} + b_{n+1}$。
让我们回到分部求和的更标准形式,这是更常用的方法:
$sum_{k=m+1}^n a_k b_k = A_n b_n A_m b_{m+1} sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_{k+1} b_k)$
再次仔细检查这个分部求和公式。
令 $S_{n,m} = sum_{k=m+1}^n a_k b_k$。
$S_{n,m} = a_{m+1} b_{m+1} + a_{m+2} b_{m+2} + dots + a_n b_n$
$S_{n,m} = (A_{m+1} A_m) b_{m+1} + (A_{m+2} A_{m+1}) b_{m+2} + dots + (A_n A_{n1}) b_n$
$S_{n,m} = A_{m+1} b_{m+1} A_m b_{m+1} + A_{m+2} b_{m+2} A_{m+1} b_{m+2} + dots + A_n b_n A_{n1} b_n$
$S_{n,m} = A_m b_{m+1} + A_{m+1} (b_{m+1} b_{m+2}) + A_{m+2} (b_{m+2} b_{m+3}) + dots + A_{n1} (b_{n1} b_n) + A_n b_n$
我们可以将 $A_m b_{m+1}$ 这一项改写成 $A_m b_{m+1} + A_m b_{m+2} A_m b_{m+2} = A_m (b_{m+2} b_{m+1})$。
但更常用的形式是将 $A_n b_n$ 这一项也纳入求和中,并调整边界。
考虑 $sum_{k=m+1}^n a_k b_k$。
令 $A_k = sum_{i=1}^k a_i$.
$sum_{k=m+1}^n a_k b_k = sum_{k=m+1}^n (A_k A_{k1}) b_k$
$= (A_{m+1} A_m)b_{m+1} + (A_{m+2} A_{m+1})b_{m+2} + dots + (A_n A_{n1})b_n$
$= A_{m+1}b_{m+1} A_m b_{m+1} + A_{m+2}b_{m+2} A_{m+1}b_{m+2} + dots + A_n b_n A_{n1}b_n$
让我们尝试另一种分部求和的形式:
$sum_{k=m+1}^n a_k b_k = A_n b_n A_m b_{m+1} + sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})$
这是对的。为什么?
$sum_{k=m+1}^n (A_k A_{k1}) b_k$
$= (A_{m+1} A_m)b_{m+1} + (A_{m+2} A_{m+1})b_{m+2} + dots + (A_n A_{n1})b_n$
$= A_{m+1}b_{m+1} A_m b_{m+1}$
$+ A_{m+2}b_{m+2} A_{m+1}b_{m+2}$
$+ dots$
$+ A_n b_n A_{n1}b_n$
将 $A_k b_k$ 项组合起来:
$A_{m+1}b_{m+1} A_{m+1}b_{m+2} = A_{m+1}(b_{m+1} b_{m+2})$
$A_{m+2}b_{m+2} A_{m+2}b_{m+3} = A_{m+2}(b_{m+2} b_{m+3})$
...
$A_{n1}b_{n1} A_{n1}b_n = A_{n1}(b_{n1} b_n)$
所以,原式可以写成:
$A_m b_{m+1} + A_{m+1}(b_{m+1} b_{m+2}) + A_{m+2}(b_{m+2} b_{m+3}) + dots + A_{n1}(b_{n1} b_n) + A_n b_n$
$= A_m b_{m+1} + sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1}) + A_n b_n$
这与我们之前写的公式略有不同。让我们再推导一次,确保准确。
Consider $sum_{k=m+1}^n a_k b_k = sum_{k=m+1}^n (A_k A_{k1}) b_k$.
This is $sum_{k=m+1}^n A_k b_k sum_{k=m+1}^n A_{k1} b_k$.
The second sum: $sum_{k=m+1}^n A_{k1} b_k = A_m b_{m+1} + A_{m+1} b_{m+2} + dots + A_{n1} b_n$.
The first sum: $sum_{k=m+1}^n A_k b_k = A_{m+1} b_{m+1} + A_{m+2} b_{m+2} + dots + A_n b_n$.
So, $sum_{k=m+1}^n a_k b_k = (A_{m+1} b_{m+1} + dots + A_n b_n) (A_m b_{m+1} + A_{m+1} b_{m+2} + dots + A_{n1} b_n)$
$= A_n b_n A_m b_{m+1} + (A_{m+1}b_{m+1} A_{m+1}b_{m+2}) + (A_{m+2}b_{m+2} A_{m+2}b_{m+3}) + dots + (A_{n1}b_{n1} A_{n1}b_n)$
$= A_n b_n A_m b_{m+1} + sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})$.
这个公式是正确的。
第二步:应用积分第二中值定理的“离散版本”
现在我们有了 $sum_{k=m+1}^n a_k b_k = A_n b_n A_m b_{m+1} + sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})$。
我们已知:
1. ${b_n}$ 是单调递减且趋于零的。这意味着 $b_k ge b_{k+1}$,所以 $b_k b_{k+1} ge 0$。
2. ${A_n}$ 是有界的。这意味着存在一个常数 $M > 0$,使得 $|A_k| le M$ 对于所有的 $k$ 都成立。
3. $b_n o 0$ 当 $n o infty$。
我们来分析 $sum_{k=m+1}^n a_k b_k$ 的绝对值:
$|sum_{k=m+1}^n a_k b_k| = |A_n b_n A_m b_{m+1} + sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})|$
利用三角不等式:
$|sum_{k=m+1}^n a_k b_k| le |A_n b_n| + |A_m b_{m+1}| + |sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})|$
现在逐项分析:
第一项:$|A_n b_n|$
由于 ${A_n}$ 有界,存在 $M$ 使得 $|A_n| le M$。
又因为 $b_n o 0$,对于任意的 $epsilon' > 0$,存在 $N_1$,使得当 $n > N_1$ 时,$|b_n| < epsilon'$.
所以,对于 $n > N_1$, $|A_n b_n| le M |b_n| < M epsilon'$.
第二项:$|A_m b_{m+1}|$
同理,当 $m+1 > N_1$ 时, $|A_m b_{m+1}| le M |b_{m+1}| < M epsilon'$.
第三项:$|sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})|$
这里是关键。我们知道 $|A_k| le M$ 且 $b_k b_{k+1} ge 0$。
$|sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})| le sum_{k=m+1}^{n1} |A_k| (b_k b_{k+1})$
$le sum_{k=m+1}^{n1} M (b_k b_{k+1})$
$= M sum_{k=m+1}^{n1} (b_k b_{k+1})$
这是一个“裂项求和”:
$sum_{k=m+1}^{n1} (b_k b_{k+1}) = (b_{m+1} b_{m+2}) + (b_{m+2} b_{m+3}) + dots + (b_{n1} b_n)$
$= b_{m+1} b_n$.
因此,第三项的绝对值 $le M (b_{m+1} b_n)$.
结合起来分析
我们之前得到 $|sum_{k=m+1}^n a_k b_k| le |A_n b_n| + |A_m b_{m+1}| + M (b_{m+1} b_n)$.
现在,我们来构建柯西收敛准则的证明。
对于任意给定的 $epsilon > 0$。
1. 处理 $b_n o 0$ 的部分:
因为 $b_n o 0$,所以存在一个正整数 $N_1$,使得当 $n > N_1$ 时,$|b_n| < frac{epsilon}{3M}$. (如果 $M=0$,这意味着所有 $a_n=0$,级数显然收敛。所以我们可以假设 $M > 0$。)
2. 处理 $A_n$ 的有界性:
我们知道 $|A_k| le M$ 对于所有 $k$ 成立。
3. 选择合适的 $N$:
令 $N = N_1$.
现在,对于任意 $n > m ge N$ (也就是 $n > m ge N_1$)。
我们有:
$|sum_{k=m+1}^n a_k b_k| le |A_n b_n| + |A_m b_{m+1}| + M (b_{m+1} b_n)$.
$|A_n b_n| le M |b_n|$. 因为 $n ge N_1$, $|b_n| < frac{epsilon}{3M}$. 所以 $|A_n b_n| < M cdot frac{epsilon}{3M} = frac{epsilon}{3}$.
$|A_m b_{m+1}| le M |b_{m+1}|$. 因为 $m ge N_1$, $m+1 > N_1$. 所以 $|b_{m+1}| < frac{epsilon}{3M}$. 因此 $|A_m b_{m+1}| < M cdot frac{epsilon}{3M} = frac{epsilon}{3}$.
$M (b_{m+1} b_n)$. 因为 $b_n$ 是单调递减的,所以 $b_{m+1} ge b_n$,因此 $b_{m+1} b_n ge 0$.
而且,因为 $m+1 > N_1$, $|b_{m+1}| < frac{epsilon}{3M}$.
我们有 $b_{m+1} b_n$. 由于 $b_n o 0$, $b_{m+1}$ 也可以被控制。
更精确地说,因为 $b_n o 0$,对于 $frac{epsilon}{3M}$,存在 $N_1$ 使得当 $n > N_1$ 时,$b_n < frac{epsilon}{3M}$.
所以,当 $m+1 > N_1$ 时,$b_{m+1} < frac{epsilon}{3M}$.
同时, $b_{m+1} b_n$. 因为 $b_n$ 是单调递减的,并且 $b_n o 0$,这意味着 $b_n$ 整体是小于某个上界的,并且是趋于零的。
我们可以这样看: $b_{m+1} b_n le b_{m+1}$.
所以,$M(b_{m+1} b_n) le M b_{m+1}$.
因为 $m+1 > N_1$, $b_{m+1} < frac{epsilon}{3M}$.
所以,$M(b_{m+1} b_n) < M cdot frac{epsilon}{3M} = frac{epsilon}{3}$.
总结一下第三项的估计:
$M (b_{m+1} b_n)$.
因为 $b_n$ 是单调递减且收敛于零,所以 $b_k$ 总是非负的,并且 $b_{m+1} ge b_n ge 0$.
因此,$b_{m+1} b_n ge 0$.
当 $m+1 > N_1$ 时,$b_{m+1} < frac{epsilon}{3M}$.
那么 $M(b_{m+1} b_n) le M b_{m+1} < M frac{epsilon}{3M} = frac{epsilon}{3}$.
将三项加起来:
$|sum_{k=m+1}^n a_k b_k| le frac{epsilon}{3} + frac{epsilon}{3} + frac{epsilon}{3} = epsilon$.
这正是柯西收敛准则所要求的。
关键点分析与积分第二中值定理的联系
有些人可能会问,这个证明和积分第二中值定理有什么联系?
积分第二中值定理(对于积分)是说:
如果 $f(x)$ 在 $[a, b]$ 上连续, $g(x)$ 在 $[a, b]$ 上单调非负,那么存在 $c in [a, b]$ 使得 $int_a^b f(x)g(x) dx = g(a) int_a^c f(x) dx$ 或者 $int_a^b f(x)g(x) dx = g(b) int_c^b f(x) dx$。
在我们的离散情况,分部求和公式 $sum_{k=m+1}^n a_k b_k = A_n b_n A_m b_{m+1} + sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})$ 实际上是离散版本的“分部积分”。
这里的 $sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})$ 部分,相当于积分中的 $int_{m+1}^{n} f(x)g'(x) dx$ 的处理。
我们有 $b_k b_{k+1} ge 0$,这对应于积分中 $g'(x) le 0$ (当 $g(x)$ 单调递减时)。
而 $A_k$ 是部分和,它在某种意义上对应于积分中的 $int f(x) dx$。
我们证明中用到 $M(b_{m+1} b_n) = M sum_{k=m+1}^{n1} (b_k b_{k+1})$。
这个式子本身就体现了“加权平均”的思想。
实际上,Abel 判别法可以看作是:
1. 分部求和(将 $sum a_k b_k$ 转化为涉及 $A_k$ 和 $b_k b_{k+1}$ 的形式)。
2. 利用 $A_k$ 的有界性(这是“连续”的 $A_k$ 的行为),以及 $b_k$ 单调递减且趋于零(这使得 $b_k b_{k+1}$ 这一“差分”很小,并且 $b_k$ 本身也趋于零)这两个条件来控制求和。
更直接地联系积分第二中值定理
我们可以这样理解:
$sum_{k=m+1}^n a_k b_k = sum_{k=m+1}^n (A_k A_{k1}) b_k$
$= A_{m+1}b_{m+1} A_m b_{m+1} + A_{m+2}b_{m+2} A_{m+1}b_{m+2} + dots + A_n b_n A_{n1}b_n$
我们对这个表达式进行整理,使其更像积分第二中值定理的形式。
考虑 $S = sum_{k=m+1}^n a_k b_k$.
令 $B_k = b_k$. 那么 $b_k b_{k+1}$ 是“离散的导数”(差分)。
$S = sum_{k=m+1}^n (A_k A_{k1}) B_k$
$= sum_{k=m+1}^n A_k B_k sum_{k=m+1}^n A_{k1} B_k$
$= sum_{k=m+1}^n A_k B_k sum_{j=m}^{n1} A_j B_{j+1}$
$= A_n B_n A_m B_{m+1} + sum_{k=m+1}^{n1} A_k B_k sum_{k=m+1}^{n1} A_k B_{k+1}$
$= A_n B_n A_m B_{m+1} + sum_{k=m+1}^{n1} A_k (B_k B_{k+1})$
这是我们之前使用的公式。
这里的 $B_k B_{k+1} = b_k b_{k+1} ge 0$.
我们可以将这个求和部分看作是“加权差分”。
$sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})$
因为 $|A_k| le M$,所以
$|sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})| le sum_{k=m+1}^{n1} |A_k| (b_k b_{k+1})$
$le M sum_{k=m+1}^{n1} (b_k b_{k+1}) = M(b_{m+1} b_n)$.
这个“ $M(b_{m+1} b_n)$ ”的形式,正是利用了 $A_k$ 的有界性,并将求和与 $b_k$ 的单调递减性质联系起来。
如果我们将 $b_k$ 想象成一个函数 $g(k)$,那么 $b_k b_{k+1}$ 就是 $g'(k)$ (如果 $g$ 是连续的,并且我们考虑差分)。
$sum_{k=m+1}^n a_k b_k$
分部求和后得到的 $sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})$ 这一项,其绝对值受 $M cdot (b_{m+1} b_n)$ 控制。
由于 $b_n o 0$ 且 $b_n$ 单调, $b_{m+1} b_n$ 是有限且可控的。
我们可以这样理解:
$|sum_{k=m+1}^n a_k b_k| le |A_n b_n| + |A_m b_{m+1}| + M(b_{m+1} b_n)$
当 $n, m$ 足够大时:
$|A_n b_n|$ 趋于零,因为 $b_n o 0$。
$|A_m b_{m+1}|$ 趋于零,因为 $b_{m+1} o 0$。
$M(b_{m+1} b_n)$ 趋于零,因为 $b_n o 0$ 且 $b_{m+1}$ 也被控制。
这整个证明过程,尤其是分部求和后对 $sum A_k (b_k b_{k+1})$ 的估计,与积分第二中值定理在处理 $int f(x)g(x) dx$ 时,如何利用 $g(x)$ 的单调性和 $int f(x)dx$ 的有界性来确定其值范围,有着异曲同工之妙。
在积分中,我们会说 $int_a^b f(x)g(x) dx = g(a) int_a^c f(x) dx$ 或 $g(b) int_c^b f(x) dx$。
如果 $g(x)$ 单调且 $int f(x)dx$ 有界,那么这个积分的值是可以被估计的。
在离散情形下, $b_k b_{k+1}$ 扮演了“导数”的角色,而 $A_k$ 扮演了“被积函数”的角色。 $A_k$ 的有界性确保了“积分”不会发散,而 $b_k b_{k+1}$ 的非负性和 $b_n o 0$ 确保了“差分”的累积效应是可控的。
积分第二中值定理的更直接应用?
实际上,Abel 判别法通常是通过分部求和来证明的,上面给出的方法是最标准和直接的。
如果你坚持要“使用”积分第二中值定理,我们可以尝试将离散求和的问题“离散化”。
考虑函数 $F(x)$ 使得 $F(k) = A_k$ 且 $g(x)$ 使得 $g(k) = b_k$.
积分第二中值定理在处理 $int f(x) g(x) dx$ 时,利用了 $g(x)$ 的单调性和 $int f(x) dx$ 的有界性。
在离散情况,我们有 $sum_{k=m+1}^n a_k b_k$ 。
分部求和后我们得到 $sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})$。
这里的 $b_k b_{k+1}$ 是负的(当 $b_k$ 单调递减时)。
如果我们定义 $c_k = (b_k b_{k+1}) = b_{k+1} b_k ge 0$。
那么 $sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1}) = sum_{k=m+1}^{n1} A_k c_k$.
这里的 $c_k$ 是非负的。
类似于积分第二中值定理,如果 $c_k$ 是非负的,并且 ${A_k}$ 是有界的,那么 $sum A_k c_k$ 的值是可以被控制的。
$sum_{k=m+1}^{n1} A_k c_k = A_{n1} sum_{k=m+1}^{n1} c_k sum_{k=m+1}^{n2} (sum_{j=m+1}^k c_j) (A_k A_{k+1})$ (这是另一种分部求和形式,可能不太直观)
我们还是回到最直接的分部求和形式:
$|sum_{k=m+1}^n a_k b_k| = |A_n b_n A_m b_{m+1} sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_{k+1} b_k)|$
$= |A_n b_n A_m b_{m+1} + sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})|$
因为 $b_k ge b_{k+1}$,所以 $b_k b_{k+1} ge 0$.
$|sum_{k=m+1}^{n1} A_k (b_k b_{k+1})| le sum_{k=m+1}^{n1} |A_k| (b_k b_{k+1})$
$le M sum_{k=m+1}^{n1} (b_k b_{k+1}) = M (b_{m+1} b_n)$.
这里的“ $M$ ”来自于 $A_k$ 的有界性,而 “$b_{m+1} b_n$” 来自于 $b_k$ 的单调性。
这个估计过程,就是利用了 $A_k$ 的“积分”特性(即部分和是有界变化)和 $b_k$ 的“导数”特性(即 $b_k b_{k+1}$ 的符号和大小)。
所以,虽然证明中没有明确写出“积分第二中值定理”的形式,但其核心思想——即通过被积函数的有界性和单调性来控制积分的值——已经体现在了对 $sum A_k (b_k b_{k+1})$ 的估计中。这里的 $A_k$ 有界性对应于积分中的被积函数有界,而 $b_k b_{k+1}$ 的性质(非负且累积和可控)对应于积分中单调非负的权重函数。
总结
Abel 判别法的证明,本质上是利用了 分部求和 将待判断的级数 $sum a_k b_k$ 转化为一个与级数 ${a_k}$ 的部分和 ${A_k}$ 和 ${b_k}$ 的差分 ${b_k b_{k+1}}$ 相关的表达式。然后,借助 ${A_k}$ 的 有界性(保证了“积分”部分不会发散)和 ${b_k}$ 的 单调递减且趋于零 的性质(保证了“差分”部分以及 $b_n$ 本身能够趋于零),利用三角不等式对转化后的表达式进行估计,最终证明其在 $n, m$ 足够大时可以任意小,从而满足柯西收敛准则。
积分第二中值定理的精神在于,它提供了一种方法来控制由一个有界函数和一个单调函数乘积的积分。在离散情形下,Abel 判别法的证明,通过分部求和,将问题转化为了涉及有界序列 ${A_k}$ 和单调序列 ${b_k}$ 差分的求和,其估计方法与积分第二中值定理的精神是一脉相承的。
希望这个详细的解释能够帮助你理解 Abel 判别法的证明过程。