Материал из Викиконспекты
Эта статья находится в разработке!
Имея дело с суммой конечного числа слагаемых, можно менять слагаемые местами и расставлять скобки - от этого результат не изменится.
Числовой ряд - это сумма бесконечного числа слагаемых, и действия нужно производить с оглядкой на этот факт.
Как мы убедимся далее, абсолютно сходящиеся ряды полностью копируют поведение суммы конечного числа слагаемых, а условно сходящиеся - нет.
Под "расставлением скобок" в ряде понимают буквально следующее: пусть имеется последовательность
- [math]n_1 \lt n_2 \lt \dots[/math]
- [math]\sum a_n = (a_1 + \dots + a_{n_1 - 1}) + (a_{n_1} + \dots + a_{n_2}) + \dots[/math]
- [math]b_p = \sum\limits_{k = n_{p - 1}}^{n_p - 1} a_k, \qquad n_0 = 1[/math]
Из построения видно, что частичная сумма ряда [math]b_p[/math] является некоторой частичной суммой ряда [math]a_n[/math]. Если исходный ряд сходится, то и ряд с расставленными скобками сходится к той же сумме. Обратное неверно: рассмотрим ряд с расставленными скобками
- [math](1 - 1) + (1 - 1) + \dots = 0[/math]
Но ряд без скобок является расходящимся.
Легко установить факт: сходящийся ряд с расставленными скобками, в каждой скобке которого стоят слагаемые одного знака, сходится и без расставленных скобок.
Перестановка слагаемых ряда
Уточним, что понимается под перестановкой слагаемых ряда. Пусть [math]\varphi: \mathbb{N} \rightarrow \mathbb{N}[/math] - биекция.
Дан ряд [math]\sum\limits_{n = 1}^{\infty} a_n[/math]. Рассмотрим ряд [math]\sum\limits_{n = 1}^{\infty} a_{\varphi(n)}[/math]. Полученный ряд называется перестановкой ряда [math]a_n[/math] по правилу [math]\varphi[/math].
| Утверждение: |
Пусть ряд из [math]a_n \le 0[/math] сходится к [math]A[/math]. Тогда [math]\sum\limits_{n = 1}^{\infty} a_{\varphi(n)} = A[/math] |
| [math]\triangleright[/math] |
|
[math]B_n = a_{\varphi(1)} + a_{\varphi(2)} + \dots + a_{\varphi(n)}, \qquad m_n = \max\limits_{i = 1..n}{\varphi(i)}[/math]
В силу положительности ряда [math]a_n[/math] частичные суммы [math]A_n[/math] ограничены.
- [math]B_n \le a_1 + a_2 + \dots + a_{m_n} = A_{m_n} \le A[/math], следовательно, частичные суммы [math]B_n[/math] ограничены, и так как все [math]a_n \le 0[/math]
- [math]\lim\limits_{n \leftarrow \infty} B_n = B \le A[/math].
Меняя местами исходный ряд на переставленный и наоборот, получаем неравенство [math]A \le B[/math], следовательно, [math]B = A[/math]. |
| [math]\triangleleft[/math] |
| Теорема: |
Пусть ряд абсолютно сходится. Тогда любая его перестановка сходится к той же сумме. |
| Доказательство: |
| [math]\triangleright[/math] |
|
По линейности суммы ряда разложим исходный ряд на сумму двух вспомогательных:
- [math]\sum\limits_{n = 1}^{\infty} a_{\varphi(n)} = \sum\limits_{n = 1}^{\infty} a_{\varphi(n)}^+ - \sum\limits_{n = 1}^{\infty} a_{\varphi(n)}^- = \sum\limits_{n = 1}^{\infty} a_n^+ - \sum\limits_{n = 1}^{\infty} a_n^- = \sum\limits_{n = 1}^{\infty} a_n[/math].
|
| [math]\triangleleft[/math] |
Для условно сходящихся рядов ситуация меняется. Имеет место теорема Римана (приводится без доказательства):
| Теорема (Риман): |
Пусть ряд из [math]a_n[/math] условно сходится. Тогда для любого [math]A[/math] из [math]\mathbb{R} \cup \{ -\infty; +\infty \}[/math] существует такая перестановка [math]\varphi[/math], что [math]A = \sum\limits_{n = 1}^{\infty} a_{\varphi(n)}[/math]. |
Формула Эйлера
Приведём пример условно сходящегося ряда и его перестановку, которая уменьшает сумму ряда в два раза.
Установим следующую формулу:
| Теорема (Эйлер): |
Выполняется равенство:
- [math]H_n = \sum\limits_{k = 1}^{n} \frac 1k = \ln n + C + \gamma_n, \qquad \gamma_n \rightarrow 0[/math],
где [math]C[/math] называется постоянной Эйлера |
| Доказательство: |
| [math]\triangleright[/math] |
|
Рассмотрим интеграл
- [math]\int_{n}^{n+1} \frac{dx}{x} = \ln(n + 1) - \ln(n)[/math]
Воспользуемся тем, что [math]\ln 1 = 0[/math]:
- [math]\ln n = \ln n - \ln 1 = \sum\limits_{k = 1}^{n - 1} (\ln(k + 1) - \ln k) = \sum\limits_{k = 1}^{n - 1} \int_{k}^{k + 1} \frac{dx}{x}[/math]
По монотонности [math]\frac 1x[/math]: [math]\int_{k}^{k + 1} \frac{dx}{x} \ge \frac 1{k+1}[/math]
- [math]H_n - \ln n = \frac 1n + \sum\limits_{k = 1}^{n - 1} \left ( \frac 1k - \int_{k}^{k+1} \frac {dx}x \right ) \qquad (*)[/math]
- [math]\frac 1k - \int_{k}^{k + 1} \frac {dx}x \le \frac 1k - \frac 1{k + 1} = \frac 1{k(k + 1)} \le \frac 1{k^2}[/math]
Итак, ряд [math]\sum\limits_{k = 1}^{\infty} является положительным и мажорируется сходящимся рядом \lt tex\gt \sum\limits_{k = 1}^{\infty} \frac 1{k^2}[/math]. Значит, этот ряд сходится.
В выражении [math](*)[/math] при предельном переходе и получаем искомую формулу, обозначая [math]C = \sum\limits_{k = 1}^{\infty} \left ( \frac 1k - \int_{k}^{k + 1} \frac{dx}{x} \right )[/math] |
| [math]\triangleleft[/math] |
Конспекты лекций Н. Ю. Додонова
