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第 11 章:比值判别、绝对收敛与任意重排
11.1 比值小于一,尾项被几何级数控制
设 ,且
。选
,则存在
,使所有
都满足
。逐次迭代,
因此
有限个前项不影响收敛。比值判别法的本质就是比较几何级数,而不是仅仅判断 。项趋零是必要条件,远非充分条件,例如调和级数发散。
若比值极限 ,取
,尾项最终至少按
倍增长,因而不趋零,级数发散。若
,该判别法没有结论:
发散,
收敛,两者比值极限都为
。
对于复级数,应把比值判别用于绝对值,而不能比较复数本身的大小关系。
11.2 绝对收敛为什么保证复级数收敛
若 ,则对
,
部分和因此是复数域中的 Cauchy 序列; 的完备性保证其收敛。所以可以把和记成
。
11.3 任意重排不改变和:尾项估计的完整证明
设 是双射。每一项恰好出现一次,没有遗漏或重复。给定
,由绝对收敛选
,使
令 。因为
是双射,存在
,使当
时,重排后的前
项包含原来的全部前
项。记
只是有限个编号大于
的项之和,所以
原级数的尾和也满足 。于是对每个
,
因此 ,任意重排保持和。这个证明不用先假设“剩余项的无限子级数”已经合法,直接用有限和估计与原级数尾和就够了。
直觉是:前面有限个项包含几乎全部绝对大小;其余所有项的绝对值总量已经小,怎么搬动都无法制造一个固定大小的新贡献。
11.4 收集偶数项和奇数项,不等于写一个无限长的排列前段
偶数项、奇数项的绝对值级数都被 控制,因此各自收敛。令
两者之和是原级数的一个有限部分和。令 ,得到原和等于两个子级数的和。这严格说明了欧拉公式中的拆分。
不能把“先写完所有偶数项,再写所有奇数项”字面理解成 的排列:第一组永远写不完,奇数项就不会出现。正确操作是先证明两个子级数收敛,再加它们的和。
11.5 加括号与重排的条件不同
如果原级数已经收敛,只在原顺序中把连续的有限项组成括号,每个项都最终被纳入,那么分组后的部分和就是原部分和的子序列,因此和不变,不需要绝对收敛。
任意重排则强得多。条件收敛的实级数,例如交错调和级数,依赖正负抵消;重排可能改变和或使其发散。这里的 Riemann 重排定理只是边界提醒,本篇没有展开其构造证明。
绝对收敛保证的是:任意排列,以及把全部项分配到已证明收敛的子级数再相加,都能安全处理。它不授权遗漏、重复项或未经定义的“无限括号”运算。