diff --git a/src/第7章 级数.md b/src/第7章 级数.md index dee3c63..887136f 100644 --- a/src/第7章 级数.md +++ b/src/第7章 级数.md @@ -1,14 +1,13 @@ -### 第 7 章 级数 -我们将学习级数 $\sum$。这是一个熟悉的符号——在有限集合或有限序列上的级数你可以简单理解为求和,但当级数放到无限序列上时,它的含义就变成了序列前缀和的极限。无限序列上的级数并不好研究,我们将学习多种判断无限级数是否收敛的方法,以及浅显地介绍一下级数的重排。更多的关于无限级数的知识我们将在第 8 章继续研究。 +我们将学习级数 $\sum$。这是一个熟悉的符号——在有限集合或有限序列上的级数你可以简单理解为求和,但当级数放到无限序列上时,它的含义就变成了序列前缀和的极限。无限序列上的级数并不好研究,我们将学习多种判断无限级数是否收敛的方法,以及浅显地介绍一下级数的重排。更多的关于无限级数的知识我们将和无限集合一起继续研究。 除特殊说明外,本文讨论的序列都是实数序列。 -#### 7.1 有限级数 +## 7.1 有限级数 在介绍无限级数之前,我们先较为全面地了解有限级数。 -- **定义 7.1.1(有限级数):**设整数 $m,n$ 和有限序列 $(a_i)_{i=m}^n$,定义有限级数 $\sum\limits_{i=m}^na_i$ 满足:若 $n0$ 为任意正实数。设 $\delta:X\to\mathbb R$ 满足 $\sum\limits_{x\in X}\delta(x)<\varepsilon$ 且对于任意 $x\in X$ 有 $\delta(x)>0$。 - 设 $N:X\to \mathbb Z_{m}^{\infty}$ 满足对于任意 $x\in X$,对于任意 $n\geq N(x)$ 都有 $|a_n(x)-l(x)|\leq \delta(x)$。 + 设 $N:X\to \mathbb Z_{m..}$ 满足对于任意 $x\in X$,对于任意 $n\geqslant N(x)$ 都有 $|a_n(x)-l(x)|\leqslant \delta(x)$。 通过归纳可以证明 $\delta$ 和 $N$ 一定存在。 - 由于 $f(X)$ 是有限集,故存在上界 $K$。那么对于任意 $n\geq K$ 和任意 $x\in X$,都有 $|a_n(x)-l(x)|\leq \delta(x)$。 + 由于 $f(X)$ 是有限集,故存在上界 $K$。那么对于任意 $n\geqslant K$ 和任意 $x\in X$,都有 $|a_n(x)-l(x)|\leqslant \delta(x)$。 - 于是对于任意 $n\geq K$,$\left|\sum\limits_{x\in X}a_n(x)-L\right|=\left|\sum\limits_{x\in X}(a_n(x)-l(x))\right|\leq \sum\limits_{x\in X}|a_n(x)-l(x)|\leq \sum\limits_{x\in X}\delta(x)\leq \varepsilon$。证毕。 + 于是对于任意 $n\geqslant K$,$\left|\sum\limits_{x\in X}a_n(x)-L\right|=\left|\sum\limits_{x\in X}(a_n(x)-l(x))\right|\leqslant \sum\limits_{x\in X}|a_n(x)-l(x)|\leqslant \sum\limits_{x\in X}\delta(x)\leqslant \varepsilon$。证毕。 引理 7.1.7 说明了,有限和与收敛极限的次序也是可以交换的。 -#### 7.2 无限级数 +## 7.2 无限级数 粗略地带过了有限级数之后,接下来我们开始无限级数的研究。 @@ -127,7 +133,7 @@ 定义 7.2.1 是形式化的,我们并未赋予 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n$ 任何实数值,不过我们接下来将说明此事。 -- **定义 7.2.2(级数的收敛)**:设 $\sum\limits_{n=m}^{\infty}a_n$ 是无限级数。设整数 $N\geq m$,定义该级数的第 $N$ 部分和 $S_N:=\sum\limits_{n=m}^Na_n$。 +- **定义 7.2.2(级数的收敛)**:设 $\sum\limits_{n=m}^{\infty}a_n$ 是无限级数。设整数 $N\geqslant m$,定义该级数的第 $N$ 部分和 $S_N:=\sum\limits_{n=m}^Na_n$。 若 $(S_N)_{N=m}^{\infty}$ 收敛到某实数 $L$,那么称 $\sum\limits_{n=m}^{\infty}a_n$ 是收敛的,且收敛到 $L$,并令 $\sum\limits_{n=m}^{\infty}a_n=L$。 @@ -137,17 +143,17 @@ 研究无限级数的一个难点在于如何确定一个无限级数是否是收敛的,接下来我们将研究此事。我们先将柯西序列的定义代入,得到: -- **命题 7.2.3**:设 $\sum\limits_{n=m}^{\infty}a_n$ 是级数。那么 $\sum\limits_{n=m}^{\infty}a_n$ 收敛当且仅当对于任意实数 $\varepsilon>0$,都存在 $N\geq m$,使得对于任意 $p,q\geq N$ 有 $\left|\sum\limits_{n=p}^qa_n\right|\leq\varepsilon$。 +- **命题 7.2.3**:设 $\sum\limits_{n=m}^{\infty}a_n$ 是级数。那么 $\sum\limits_{n=m}^{\infty}a_n$ 收敛当且仅当对于任意实数 $\varepsilon>0$,都存在 $N\geqslant m$,使得对于任意 $p,q\geqslant N$ 有 $\left|\sum\limits_{n=p}^qa_n\right|\leqslant\varepsilon$。 - **证明**:$(S_k)_{k=m}^{\infty}$ 收敛等价于:对于任意实数 $\varepsilon>0$,存在 $N\geq m$,使得对于任意 $p,q\geq N$ 有 $|S_p-S_q|\leq \varepsilon$。显然 $p=q$ 时成立。又根据对称性,不妨设 $p0$,存在 $N\geqslant m$,使得对于任意 $p,q\geqslant N$ 有 $|S_p-S_q|\leqslant \varepsilon$。显然 $p=q$ 时成立。又根据对称性,不妨设 $pm$,使得对于任意 $N\leq p,q$ 有 $\left|\sum\limits_{n=p}^qa_n\right|\leq\varepsilon$。证毕。 + 即存在 $N>m$,使得对于任意 $N\leqslant p,q$ 有 $\left|\sum\limits_{n=p}^qa_n\right|\leqslant\varepsilon$。证毕。 接下来以命题 7.2.3 为基础,我们将介绍各种各样的无限级数收敛的判别方法。 @@ -163,29 +169,33 @@ 为了区分收敛和绝对收敛,我们有时将前者叫作条件收敛。 -- **命题 7.2.6(绝对收敛判别法)**:若级数 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n$ 是绝对收敛的,那么它也是条件收敛的。且满足 $\left|\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n\right|\leq\sum\limits^{\infty}_{n=m}|a_n|$。 +- **命题 7.2.6(绝对收敛判别法)**:若级数 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n$ 是绝对收敛的,那么它也是条件收敛的。且满足 $\left|\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n\right|\leqslant\sum\limits^{\infty}_{n=m}|a_n|$。 - **证明**:对于前者,$\left|\sum\limits^{q}_{n=p}a_n\right|\leq \sum\limits_{n=p}^q|a_n|$。对于后者,记 $S_N$ 为 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n$ 的第 $N$ 部分和,$S_{N}'$ 为 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}|a_n|$ 的第 $N$ 部分和,那么 $|S_N|\leq S'_N$。结合推论 6.4.8 和引理 6.4.5,可知 $\left|\lim\limits_{N\to\infty}S_N\right|=\lim\limits_{N\to\infty}|S_N|\leq \lim\limits_{N\to\infty}S_N'$,证毕。 + **证明**:对于前者,$\left|\sum\limits^{q}_{n=p}a_n\right|\leqslant \sum\limits_{n=p}^q|a_n|$。对于后者,记 $S_N$ 为 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n$ 的第 $N$ 部分和,$S_{N}'$ 为 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}|a_n|$ 的第 $N$ 部分和,那么 $|S_N|\leqslant S'_N$。结合推论 6.4.8 和引理 6.4.5,可知 $\left|\lim\limits_{N\to\infty}S_N\right|=\lim\limits_{N\to\infty}|S_N|\leqslant \lim\limits_{N\to\infty}S_N'$,证毕。 命题 7.2.6 的逆命题并不一定成立,一个反例是 $\sum\limits^{\infty}_{n=1}(-1)^n\frac{1}{n}$ 收敛但 $\sum\limits^{\infty}_{n=1}\frac{1}{n}$ 发散。 绝对收敛的一个理解方式是:“对应的绝对值序列的和是收敛的”,这样可能会方便记忆些? -- **引理 7.2.7**:设 $m'\geq m$,那么 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n$ 收敛等价于 $\sum\limits^{\infty}_{n=m'}a_n$ 收敛。且若二者都收敛,有 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n=\sum\limits_{n=m}^{m'-1}a_n+\sum\limits^{\infty}_{n=m'}a_n$。 +- **引理 7.2.7**:设 $m'\geqslant m$,那么 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n$ 收敛等价于 $\sum\limits^{\infty}_{n=m'}a_n$ 收敛。且若二者都收敛,有 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n=\sum\limits_{n=m}^{m'-1}a_n+\sum\limits^{\infty}_{n=m'}a_n$。 **证明**:根据定义可得。 -- **命题 7.2.8(交错级数判别法)**:设序列 $(a_n)_{n=m}^{\infty}$ 满足对于任意 $n\geq m$ 有 $a_n\geq 0$ 且 $a_n\geq a_{n+1}$。那么 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}(-1)^na_n$ 收敛当且仅当 $\lim\limits_{n\to\infty}a_n=0$。 +- **命题 7.2.8(交错级数判别法)**:设序列 $(a_n)_{n=m}^{\infty}$ 满足对于任意 $n\geqslant m$ 有 $a_n\geqslant 0$ 且 $a_n\geqslant a_{n+1}$。那么 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}(-1)^na_n$ 收敛当且仅当 $\lim\limits_{n\to\infty}a_n=0$。 **证明**:若 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}(-1)^na_n$ 收敛,那么 $\lim\limits_{n\to\infty}(-1)^na_n=0$,根据推论 6.4.7 可知 $\lim\limits_{n\to\infty}a_n=0$。 若 $\lim\limits_{n\to\infty}a_n=0$,考虑证明 $S_N:=\sum\limits_{n=m}^N(-1)^na_n$ 收敛。根据引理 7.2.7,我们不妨假设 $m$ 为偶数。假设 $S_{m-1}:=0$。 - 定义序列 $(A_n)_{n=m}^{\infty}$ 和 $(B_n)_{n=m}^{\infty}$ 满足 $A_n:=\begin{cases}S_{n-1}&\text{if $n$为偶数}\\S_n&\text{if $n$为奇数}\end{cases}$ 且 $B_n:=\begin{cases}a_n&\text{if $n$为偶数}\\0&\text{if $n$为奇数}\end{cases}$,那么 $S_n=A_n+B_n$。 + 定义序列 $(A_n)_{n=m}^{\infty}$ 和 $(B_n)_{n=m}^{\infty}$ 满足 - 考虑归纳证明 $(A_n)_{n=m}^{\infty}$ 单增且对于任意的 $n\geq m$ 有 $A_n\leq a_m-a_n$:若 $n$ 为偶数,那么 $A_{n}=A_{n-1}\leq a_m-a_{n-1}\leq a_m-a_n$;若 $n$ 为奇数,那么 $A_n=A_{n-2}+a_{n-1}-a_{n}\geq A_{n-2}=A_{n-1}$,且 $A_n=A_{n-2}+a_{n-1}-a_n\leq a_m-a_{n-2}+a_{n-1}-a_n\leq a_m-a_n$。那么 $(A_n)_{n=m}^{\infty}$ 单增且有上界 $a_m$,于是 $(A_n)_{n=m}^{\infty}$ 收敛。 + $$\begin{aligned}A_n&:=\begin{cases}S_{n-1}&n\text{ 为偶数}\\S_n&n\text{ 为奇数}\end{cases}\\B_n&:=\begin{cases}a_n&n\text{ 为偶数}\\0&n\text{ 为奇数}\end{cases}\end{aligned}$$ - 由于 $(a_n)_{n=m}^{\infty}$ 收敛于 $0$,那么容易证明 $(B_n)_{n=m}^{\infty}$ 也收敛于 $0$。又由于对于任意 $n\geq m$ 有 $S_n=A_n+B_n$,根据极限算律可以知道 $(S_n)_{n=m}^{\infty}$ 也是收敛的。 + 那么 $S_n=A_n+B_n$。 + + 考虑归纳证明 $(A_n)_{n=m}^{\infty}$ 单增且对于任意的 $n\geqslant m$ 有 $A_n\leqslant a_m-a_n$:若 $n$ 为偶数,那么 $A_{n}=A_{n-1}\leqslant a_m-a_{n-1}\leqslant a_m-a_n$;若 $n$ 为奇数,那么 $A_n=A_{n-2}+a_{n-1}-a_{n}\geqslant A_{n-2}=A_{n-1}$,且 $A_n=A_{n-2}+a_{n-1}-a_n\leqslant a_m-a_{n-2}+a_{n-1}-a_n\leqslant a_m-a_n$。那么 $(A_n)_{n=m}^{\infty}$ 单增且有上界 $a_m$,于是 $(A_n)_{n=m}^{\infty}$ 收敛。 + + 由于 $(a_n)_{n=m}^{\infty}$ 收敛于 $0$,那么容易证明 $(B_n)_{n=m}^{\infty}$ 也收敛于 $0$。又由于对于任意 $n\geqslant m$ 有 $S_n=A_n+B_n$,根据极限算律可以知道 $(S_n)_{n=m}^{\infty}$ 也是收敛的。 根据命题 7.2.8,我们就可以说明 $\sum\limits^{\infty}_{n=1}(-1)^n\frac{1}{n}$ 是收敛的了。 @@ -195,92 +205,95 @@ 2. 设 $c$ 为实数,那么 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}ca_n$ 收敛到 $cx$。 3. 设 $k$ 为整数,那么 $\sum\limits^{\infty}_{n=m+k}a_{n-k}$ 收敛到 $x$。 - **证明**:略。 - **引理 7.2.10(嵌套级数)**:设序列 $(a_n)_{n=m}^{\infty}$ 收敛到 $L$,那么级数 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}(a_n-a_{n+1})$ 收敛到 $a_m-L$。 **证明**:可以归纳证明 $S_N=a_m-a_{N+1}$,根据极限算律可知 $(S_N)_{N=m}^{\infty}$ 收敛到 $a_m-L$。 -#### 7.3 非负实数的和 +## 7.3 非负实数的和 我们现在专门讨论非负实数序列对应的级数,称为非负实数的级数。 非负实数的级数的一个好处是,收敛和绝对收敛是等价的,这将提供更强的条件。 -- **命题 7.3.1**:非负实数的级数 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n$ 是收敛的当且仅当存在实数 $M$,使得对于任意 $N\geq m$ 有 $\sum\limits_{n=m}^Na_n\leq M$。 +- **命题 7.3.1**:非负实数的级数 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n$ 是收敛的当且仅当存在实数 $M$,使得对于任意 $N\geqslant m$ 有 $\sum\limits_{n=m}^Na_n\leqslant M$。 **证明**:注意到 $(S_N)_{N=m}^{\infty}$ 是单增的,于是根据命题 6.3.3,$(S_N)_{N=m}^{\infty}$ 收敛当且仅当它存在有限上界。 -- **推论 7.3.2(比较判别法)**:设级数 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n$ 和 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}b_n$ 满足对于任意 $n\geq m$ 有 $|a_n|\leq b_n$。那么若 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}b_n$ 收敛,则 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n$ 绝对收敛,且 $\left|\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n\right|\leq \sum\limits^{\infty}_{n=m}|a_n|\leq \sum\limits^{\infty}_{n=m}b_n$。 +- **推论 7.3.2(比较判别法)**:设级数 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n$ 和 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}b_n$ 满足对于任意 $n\geqslant m$ 有 $|a_n|\leqslant b_n$。那么若 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}b_n$ 收敛,则 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n$ 绝对收敛,且 $\left|\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n\right|\leqslant \sum\limits^{\infty}_{n=m}|a_n|\leqslant \sum\limits^{\infty}_{n=m}b_n$。 **证明**:结合命题 7.2.6、引理 6.4.5 和命题 6.3.3 可知。 -- **引理 7.3.3(几何级数)**:设 $x$ 是实数。若 $|x|\geq 1$,则 $\sum\limits^{\infty}_{n=0}x^n$ 是发散的;若 $|x|<1$,则 $\sum\limits^{\infty}_{n=0}x^n$ 是收敛的。 +- **引理 7.3.3(几何级数)**:设 $x$ 是实数。若 $|x|\geqslant 1$,则 $\sum\limits^{\infty}_{n=0}x^n$ 是发散的;若 $|x|<1$,则 $\sum\limits^{\infty}_{n=0}x^n$ 是收敛的。 - **证明**:若 $|x|\geq 1$,利用零判别法即可。若 $|x|<1$,可以归纳证明 $S_N=\frac{x^{N+1}-1}{x-1}$,于是 $\lim\limits_{N\to\infty}S_N=\frac{(\lim_{N\to\infty}x^{N+1})-1}{x-1}=\frac{1}{1-x}$。 + **证明**:若 $|x|\geqslant 1$,利用零判别法即可。若 $|x|<1$,可以归纳证明 $S_N=\frac{x^{N+1}-1}{x-1}$,于是 $\lim\limits_{N\to\infty}S_N=\frac{(\lim_{N\to\infty}x^{N+1})-1}{x-1}=\frac{1}{1-x}$。 - **命题 7.3.4(柯西准则)**:设 $(a_n)_{n=1}^{\infty}$ 是非负的减序列。那么级数 $\sum\limits^{\infty}_{n=1}a_n$ 收敛当且仅当级数 $\sum\limits^{\infty}_{k=0}2^ka_{2^k}$ 收敛。 **证明**:根据命题 7.3.1,转化为证明 $S_N:=\sum\limits_{n=1}^Na_n$ 有界当且仅当 $T_K:=\sum\limits_{k=0}^K2^ka_{2^k}$ 有界。 - 若 $(S_N)_{N=1}^{\infty}$ 有界,不妨设界为 $M$。那么对于任意 $K\geq 0$, + 若 $(S_N)_{N=1}^{\infty}$ 有界,不妨设界为 $M$。那么对于任意 $K\geqslant 0$, $$ \begin{aligned} T_K&=\sum_{k=0}^K2^ka_{2^k}\\ &=a_1+2\sum_{k=1}^{K}2^{k-1}a_{2^k}\\ &=a_1+2\sum_{k=1}^{K}\sum_{n=2^{k-1}+1}^{2^k}a_{2^k}\\ - &\leq a_1+2\sum_{k=1}^{K}\sum_{n=2^{k-1}+1}^{2^k}a_n\\ + &\leqslant a_1+2\sum_{k=1}^{K}\sum_{n=2^{k-1}+1}^{2^k}a_n\\ &=a_1+2\sum_{n=2}^{2^K}a_n\\ - &=\left(2\sum_{n=1}^{2^K}a_n\right)-a_1\leq 2M-a_1 + &=\left(2\sum_{n=1}^{2^K}a_n\right)-a_1\leqslant 2M-a_1 \end{aligned} $$ 于是 $(T_K)_{K=0}^{\infty}$ 有界 $2M-a_1$。 - 若 $(T_K)_{K=0}^{\infty}$ 有界,不妨设界为 $M$。设 $N\geq 1$ 我任意正整数。可以通过归纳证明存在 $K\geq 0$ 使得 $2^K\leq N<2^{K+1}$。 + 若 $(T_K)_{K=0}^{\infty}$ 有界,不妨设界为 $M$。设 $N\geqslant 1$ 我任意正整数。可以通过归纳证明存在 $K\geqslant 0$ 使得 $2^K\leqslant N<2^{K+1}$。 $$ \begin{aligned} S_N&=\sum_{n=1}^{N}a_n\\ - &\leq \sum_{n=1}^{2^{K+1}-1}a_n\\ + &\leqslant \sum_{n=1}^{2^{K+1}-1}a_n\\ &=\sum_{k=0}^K\sum_{n=2^k}^{2^{k+1}-1}a_n\\ - &\leq \sum_{k=0}^K\sum_{n=2^k}^{2^{k+1}-1}a_{2^k}\\ - &=\sum_{k=0}^K2^ka_{2^k}\leq M + &\leqslant \sum_{k=0}^K\sum_{n=2^k}^{2^{k+1}-1}a_{2^k}\\ + &=\sum_{k=0}^K2^ka_{2^k}\leqslant M \end{aligned} $$ 于是 $(S_N)_{N=0}^{\infty}$ 有界 $M$。 命题 7.3.4 可能看起来非常奇怪,但它实现了变量从底数到指数的转换,这有时会带来神奇的效果,比如: -- **推论 7.3.5**:设 $q>0$ 是比例数。那么级数 $\sum\limits^{\infty}_{n=1}\frac{1}{n^q}$ 当 $q>1$ 时收敛而当 $q\leq 1$ 时发散。 +- **推论 7.3.5**:设 $q>0$ 是比例数。那么级数 $\sum\limits^{\infty}_{n=1}\frac{1}{n^q}$ 当 $q>1$ 时收敛而当 $q\leqslant 1$ 时发散。 **证明**:当 $q>0$ 时,$\frac{1}{n^q}$ 是正的减的,于是根据柯西准则,只需关注级数 $\sum\limits^{\infty}_{k=0}2^k\frac{1}{2^{kq}}=\sum\limits^{\infty}_{k=0}\frac{1}{2^{k(q-1)}}$。 - 根据引理 7.3.3,当 $\frac{1}{2^{q-1}}<1$ 即 $q>1$ 时原级数收敛;当 $\frac{1}{2^{q-1}}\geq 1$ 即 $q\leq 1$ 时原级数发散。 + 根据引理 7.3.3,当 $\frac{1}{2^{q-1}}<1$ 即 $q>1$ 时原级数收敛;当 $\frac{1}{2^{q-1}}\geqslant 1$ 即 $q\leqslant 1$ 时原级数发散。 特别地,我们将 $\sum\limits^{\infty}_{n=1}\frac1n$ 叫作调和级数,是发散的。而当 $\sum\limits^{\infty}_{n=1}\frac1{n^q}$ 收敛时,其和记作 $\zeta(q)$,称作 $q$ 的黎曼-Zeta函数。 -#### 7.4 级数的重排 +## 7.4 级数的重排 有时候将级数中的元素的顺序重排,会极大地化简级数的计算。但是否所有级数都能重排?对于有限级数来说,我们已经在命题 7.1.4.2 中证明过了。但对于无限级数来说,只有部分满足条件的级数可以重排。 -- **引理 7.4.1**:设有限集合 $Y$ 和函数 $f:Y\to\mathbb R$,且对于任意 $y\in Y$,$f(y)\geq 0$。设 $X\subseteq Y$,那么 $\sum\limits_{x\in X}f(x)\leq \sum\limits_{y\in Y}f(y)$。 +- **引理 7.4.1**:设有限集合 $Y$ 和函数 $f:Y\to\mathbb R$,且对于任意 $y\in Y$,$f(y)\geqslant 0$。设 $X\subseteq Y$,那么 $\sum\limits_{x\in X}f(x)\leqslant \sum\limits_{y\in Y}f(y)$。 - **证明**:设 $Z:=Y\setminus X$,那么 $Y=X\cup Z$ 且 $X\cap Z=\varnothing$,于是 $\sum\limits_{x\in X}f(x)+\sum\limits_{z\in Z}f(z)=\sum\limits_{y\in Y}f(y)$。可以归纳证明 $\sum\limits_{z\in Z}f(z)\geq 0$,于是 $\sum\limits_{x\in X}f(x)\leq \sum\limits_{y\in Y}f(y)$。 + **证明**:设 $Z:=Y\setminus X$,那么 $Y=X\cup Z$ 且 $X\cap Z=\varnothing$,于是 $\sum\limits_{x\in X}f(x)+\sum\limits_{z\in Z}f(z)=\sum\limits_{y\in Y}f(y)$。可以归纳证明 $\sum\limits_{z\in Z}f(z)\geqslant 0$,于是 $\sum\limits_{x\in X}f(x)\leqslant \sum\limits_{y\in Y}f(y)$。 -- **命题 7.4.2**:设 $\sum\limits^{\infty}_{n=s}a_n$ 是收敛的非负实数的级数,并设 $f:\mathbb Z_s^{\infty}\to\mathbb Z_{s}^{\infty}$ 是双射,那么 $\sum\limits^{\infty}_{m=s}a_{f(m)}$ 也收敛到同一实数。 +- **命题 7.4.2**:设 $\sum\limits^{\infty}_{n=s}a_n$ 是收敛的非负实数的级数,并设 $f:\mathbb Z_{s..}\to\mathbb Z_{s..}$ 是双射,那么 $\sum\limits^{\infty}_{m=s}a_{f(m)}$ 也收敛到同一实数。 **证明**:只需证明 $S_N:=\sum\limits_{n=s}^Na_n$ 和 $T_M:=\sum\limits_{m=s}^Ma_{f(m)}$ 拥有同样的上确界。设 $L=\sup(S_N)_{N=s}^{\infty}$。 - 对于任意 $M\geq s$,由于序列 $(f(m))_{m=s}^{M}$ 有限,故存在界 $N$ 使得对于任意 $s\leq m\leq M$ 有 $f(m)\leq N$,那么 $f(\mathbb Z_s^M)\subseteq \mathbb Z_s^N$。则 $T_M=\sum\limits_{m=s}^Ma_{f(m)}=\sum\limits_{x\in f(\mathbb Z_s^M)}a_x\leq \sum\limits_{x\in \mathbb Z_s^N}a_x=\sum\limits_{n=s}^Na_n\leq L$。故 $L$ 是 $(T_M)_{M=s}^{\infty}$ 的上界。 + 对于任意 $M\geqslant s$,由于序列 $(f(m))_{m=s}^{M}$ 有限,故存在界 $N$ 使得对于任意 $s\leqslant m\leqslant M$ 有 $f(m)\leqslant N$,那么 $f(\mathbb Z_{s..M})\subseteq \mathbb Z_{s..N}$。则 $T_M=\sum\limits_{m=s}^Ma_{f(m)}=\sum\limits_{x\in f(\mathbb Z_{s..M})}a_x\leqslant \sum\limits_{x\in \mathbb Z_{s..N}}a_x=\sum\limits_{n=s}^Na_n\leqslant L$。故 $L$ 是 $(T_M)_{M=s}^{\infty}$ 的上界。 - 对于任意 $L'0$,存在 $N\geq s$,使得对于任意有限集 $X\subseteq \mathbb Z_{N}^{\infty}$,有 $\left|\sum\limits_{x\in X}a_x\right|\leq \varepsilon$。 + $$L'0$,存在 $N\geqslant s$,使得对于任意有限集 $X\subseteq \mathbb Z_{N..}$,有 $\left|\sum\limits_{x\in X}a_x\right|\leqslant \varepsilon$。 - 那么 $\left|\sum\limits_{x\in X}a_x\right|\leq \sum\limits_{x\in X}|a_x|\leq \sum\limits_{x\in \mathbb Z_N^M}|a_x|=\sum\limits_{n=N}^M|a_x|\leq \varepsilon$。证毕。 + **证明**:首先存在 $N\geqslant s$ 使得对于任意 $p,q\geqslant N$ 有 $\sum\limits_{n=p}^q|a_n|\leqslant \varepsilon$。 + + 考虑任意有限集 $X\subseteq \mathbb Z_{N..}$,可以归纳证明 $X$ 存在上界,不妨设为 $M$,容易发现 $X\subseteq \mathbb Z_{N..M}$。 + + 那么 $\left|\sum\limits_{x\in X}a_x\right|\leqslant \sum\limits_{x\in X}|a_x|\leqslant \sum\limits_{x\in \mathbb Z_{N..M}}|a_x|=\sum\limits_{n=N}^M|a_x|\leqslant \varepsilon$。证毕。 - **命题 7.4.4(级数的重排)**:设 $\sum\limits_{n=s}^{\infty}a_n$ 是绝对收敛的级数,并设 $f:\mathbb N\to\mathbb N$ 是双射,那么 $\sum\limits_{m=s}^{\infty}a_{f(m)}=\sum\limits_{n=s}^{\infty}a_n$。 @@ -290,23 +303,23 @@ 设 $S_N:=\sum\limits_{n=s}^Na_n$,$T_M:=\sum\limits_{m=s}^Ma_{f(m)}$。设 $(S_N)_{N=s}^{\infty}$ 收敛到 $L$,欲证 $(T_M)_{M=s}^{\infty}$ 也收敛到 $L$。 - 设 $\varepsilon>0$ 为任意正实数。任取 $\delta$ 满足 $0<\delta<\varepsilon$。那么存在 $N_1\geq s$ 使得对于任意 $N\geq N_1$ 有 $|S_N-L|\leq \delta$,存在 $N_2\geq s$ 使得对于任意有限集 $X\subseteq\mathbb Z_{N_2}^{\infty}$ 有 $\left|\sum\limits_{x\in X}a_x\right|\leq\varepsilon-\delta$。 + 设 $\varepsilon>0$ 为任意正实数。任取 $\delta$ 满足 $0<\delta<\varepsilon$。那么存在 $N_1\geqslant s$ 使得对于任意 $N\geqslant N_1$ 有 $|S_N-L|\leqslant \delta$,存在 $N_2\geqslant s$ 使得对于任意有限集 $X\subseteq\mathbb Z_{N_2..}$ 有 $\left|\sum\limits_{x\in X}a_x\right|\leqslant\varepsilon-\delta$。 - 令 $N_S=\max(N_1+1,N_2)$,那么 $N_S-1\geq N_1$。考虑有限序列 $(f^{-1}(n))_{n=s}^{N_S-1}$,存在界 $M_T\geq s$ 使得对于任意 $s\leq n0$,从而对于任意 $n\geq m$,$|a_n|^{\frac1n}$ 都是有意义的。 + 根据引理 7.2.7,不妨设 $m>0$,从而对于任意 $n\geqslant m$,$|a_n|^{\frac1n}$ 都是有意义的。 - - 若 $\alpha<1$。取实数 $k$ 满足 $\alpha1$。考虑证明 $\lim\limits_{n\to\infty}a_n\neq 0$,等价于 $\lim\limits_{n\to\infty}|a_n|\neq 0$。 - 若 $\lim\limits_{n\to\infty}|a_n|=0$。取实数 $0<\varepsilon<1$,那么存在 $N\geq m$,使得对于任意 $n\geq N$ 有 $|a_n|\leq \varepsilon$。而 $\sup(|a_n|^{\frac1n})_{n=N}^{\infty}\geq \alpha>1$,那么存在 $n\geq N$ 使得 $|a_n|^{\frac1n}>1$,则 $|a_n|>1$,与 $|a_n|\leq\varepsilon$ 矛盾。 + 若 $\lim\limits_{n\to\infty}|a_n|=0$。取实数 $0<\varepsilon<1$,那么存在 $N\geqslant m$,使得对于任意 $n\geqslant N$ 有 $|a_n|\leqslant \varepsilon$。而 $\sup(|a_n|^{\frac1n})_{n=N}^{\infty}\geqslant \alpha>1$,那么存在 $n\geqslant N$ 使得 $|a_n|^{\frac1n}>1$,则 $|a_n|>1$,与 $|a_n|\leqslant\varepsilon$ 矛盾。 - **定理 7.5.2(比例判别法)**:设 $\sum\limits^{\infty}_{n=m}a_n$ 为元素不为零的级数。 @@ -336,37 +349,37 @@ **证明**:对于第三种情况的证明,见命题 7.5.4。 - - 若 $\limsup\limits_{n\to\infty} \frac{|a_{n+1}|}{|a_n|}<1$。取实数 $k$ 满足 $\limsup\limits_{n\to\infty} \frac{|a_{n+1}|}{|a_n|}1$。考虑证明 $\lim\limits_{n\to\infty}a_n\neq 0$,等价于 $\lim\limits_{n\to\infty}|a_n|\neq 0$。 - 取实数 $k$ 满足 $1N$ 都有 $|a_n|>|a_N|$。 + 取实数 $k$ 满足 $1N$ 都有 $|a_n|>|a_N|$。 - 若 $\lim\limits_{n\to\infty}|a_n|=0$,则存在 $N'\geq m$ 使得对于任意 $n\geq N'$ 都有 $|a_n|\leq |a_N|$,矛盾。 + 若 $\lim\limits_{n\to\infty}|a_n|=0$,则存在 $N'\geqslant m$ 使得对于任意 $n\geqslant N'$ 都有 $|a_n|\leqslant |a_N|$,矛盾。 -方根判别法和比例判别法的想法都在于找到一个 $N\geq m$ 和 $k<1$ 使得对于任意 $n\geq N$ 有 $|a_n|\leq k^n$,从而 $\sum\limits^{\infty}_{n=N}|a_n|$ 是收敛的。两者的区别在于,方根判别法是直接给出的形式,而比例判别法是间接给出的形式。 +方根判别法和比例判别法的想法都在于找到一个 $N\geqslant m$ 和 $k<1$ 使得对于任意 $n\geqslant N$ 有 $|a_n|\leqslant k^n$,从而 $\sum\limits^{\infty}_{n=N}|a_n|$ 是收敛的。两者的区别在于,方根判别法是直接给出的形式,而比例判别法是间接给出的形式。 方根判别法和比例判别法存在如下关系: - **引理 7.5.3**:设 $(c_n)_{n=m}^{\infty}$ 是正实数序列,那么: $$ - \liminf_{n\to\infty}\frac{c_{n+1}}{c_n}\leq\liminf_{n\to\infty}c_n^{\frac1n}\leq\limsup_{n\to\infty}c_n^{\frac1n}\leq \limsup_{n\to\infty}\frac{c_{n+1}}{c_n} + \liminf_{n\to\infty}\frac{c_{n+1}}{c_n}\leqslant\liminf_{n\to\infty}c_n^{\frac1n}\leqslant\limsup_{n\to\infty}c_n^{\frac1n}\leqslant \limsup_{n\to\infty}\frac{c_{n+1}}{c_n} $$ - **证明**:只证 $\limsup\limits_{n\to\infty} c_n^{\frac1n}\leq \limsup\limits_{n\to\infty}\frac{c_{n+1}}{c_n}$。设 $L=\limsup\limits_{n\to\infty}\frac{c_{n+1}}{c_n}$。 + **证明**:只证 $\limsup\limits_{n\to\infty} c_n^{\frac1n}\leqslant \limsup\limits_{n\to\infty}\frac{c_{n+1}}{c_n}$。设 $L=\limsup\limits_{n\to\infty}\frac{c_{n+1}}{c_n}$。 - 设 $\varepsilon>0$ 为任意正实数。那么存在 $N\geq m$ 使得对于任意 $n\geq N$ 有 $\frac{c_{n+1}}{c_n}\leq L+\varepsilon$ 即 $c_{n+1}\leq c_n(L+\varepsilon)$。 + 设 $\varepsilon>0$ 为任意正实数。那么存在 $N\geqslant m$ 使得对于任意 $n\geqslant N$ 有 $\frac{c_{n+1}}{c_n}\leqslant L+\varepsilon$ 即 $c_{n+1}\leqslant c_n(L+\varepsilon)$。 - 那么可以归纳证明,对于任意 $n\geq N$ 有 $c_n\leq c_N(L+\varepsilon)^{n-N}$,记 $A=c_N(L+\varepsilon)^{-N}$。 + 那么可以归纳证明,对于任意 $n\geqslant N$ 有 $c_n\leqslant c_N(L+\varepsilon)^{n-N}$,记 $A=c_N(L+\varepsilon)^{-N}$。 - 于是对于任意 $n\geq N$ 有 $c_n\leq A(L+\varepsilon)^n$,那么 $c_n^{\frac1n}\leq A^{\frac1n}(L+\varepsilon)$。 + 于是对于任意 $n\geqslant N$ 有 $c_n\leqslant A(L+\varepsilon)^n$,那么 $c_n^{\frac1n}\leqslant A^{\frac1n}(L+\varepsilon)$。 - 根据比较原理,可知 $\limsup\limits_{n\to\infty}c_n^{\frac{1}{n}}\leq \limsup\limits_{n\to\infty}A^{\frac1n}(L+\varepsilon)=L+\varepsilon$。 + 根据比较原理,可知 $\limsup\limits_{n\to\infty}c_n^{\frac{1}{n}}\leqslant \limsup\limits_{n\to\infty}A^{\frac1n}(L+\varepsilon)=L+\varepsilon$。 - 由于 $\limsup\limits_{n\to\infty}c_n^{\frac1n}\leq L+\varepsilon$ 对任意实数 $\varepsilon>0$ 都成立,于是 $\limsup\limits_{n\to\infty}c_n^{\frac1n}\leq L$。 + 由于 $\limsup\limits_{n\to\infty}c_n^{\frac1n}\leqslant L+\varepsilon$ 对任意实数 $\varepsilon>0$ 都成立,于是 $\limsup\limits_{n\to\infty}c_n^{\frac1n}\leqslant L$。 引理 7.5.3 意味着,若某级数能用比例判别法判断,那么它也一定能用方根判别法判断。 @@ -376,7 +389,6 @@ **证明**:只需证明 $\lim\limits_{n\to\infty}\frac{|a_{n+1}|}{|a_n|}=\lim\limits_{n\to\infty}\frac{|b_{n+1}|}{|b_n|}=1$(从而根据引理 7.5.3 可知 $\lim\limits_{n\to\infty}|a_n|^{\frac1n}=\lim\limits_{n\to\infty}|b_n|^{\frac1n}=1$): $$ - \lim\limits_{n\to\infty}\frac{|a_{n+1}|}{|a_n|}=\lim\limits_{n\to\infty}\frac{n}{n+1}=\lim\limits_{n\to\infty}(1-\frac{1}{n})=1\\ - \lim\limits_{n\to\infty}\frac{|b_{n+1}|}{|b_n|}=\frac{1}{\lim\limits_{n\to\infty}\frac{|b_n|}{|b_{n+1}|}}=\frac{1}{\lim\limits_{n\to\infty}\frac{(n+1)^2}{n^2}}=\frac{1}{\lim\limits_{n\to\infty}(1+\frac{2}{n}+\frac{1}{n^2})}=\frac{1}{1}=1 + \begin{aligned}\lim\limits_{n\to\infty}\frac{|a_{n+1}|}{|a_n|}&=\lim\limits_{n\to\infty}\frac{n}{n+1}=\lim\limits_{n\to\infty}(1-\frac{1}{n})=1\\ + \lim\limits_{n\to\infty}\frac{|b_{n+1}|}{|b_n|}&=\frac{1}{\lim\limits_{n\to\infty}\frac{|b_n|}{|b_{n+1}|}}=\frac{1}{\lim\limits_{n\to\infty}\frac{(n+1)^2}{n^2}}=\frac{1}{\lim\limits_{n\to\infty}(1+\frac{2}{n}+\frac{1}{n^2})}=\frac{1}{1}=1\end{aligned} $$ -