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足す順を変えると答えが変わる?二重級数とトネリの定理

同じ数の表を、行から先に足すか列から先に足すかで、答えが と に分かれることがあります。

対角線に 、その つ右に 、あとは という表がその例です。有限の表なら足す順は関係ありませんが、無限になると変わる。

順序を入れ替えてよい条件は、絶対値の和が有限かどうかで決まります[3]。

順序で答えが変わる表

次のように置きます。

行を先に足すと、どの でも です。それを全部足しても 。

列を先に足すと様子が変わります。 の列には しかなく、和は 。 の列は と が つずつで です。

行から足す

各行で と が打ち消し合い、合計は

列から足す

最初の列だけ の相手がいない。合計は

最初の列の には打ち消す相手がいません。無限に先送りされた が、どこにも着地しないまま消えています。

絶対値の和を先に見る

この表では が発散します。絶対収束していないことが、順序で答えが変わった原因です。

判定の手順は 段になります。まず絶対値の表で和が有限かを確かめ、有限なら元の表で順序を入れ替える。

の二重級数を作る

非負なので順序を気にせず和を出す

有限なら元の級数も順序交換してよい

段目で順序を気にしなくてよいのは、非負の表なら足す順で値が変わらないからです。

非負なら自由

非負の二重級数では、部分和が単調に増えます。上限として極限が一意に決まるので、足す順が結果に効きません。

両辺が同時に有限になるか、同時に になります。片方だけ収束することはない。

測度論の言葉ではトネリの定理と呼びます。数え上げ測度のもとで積分が級数にあたるので、二重級数は二重積分の離散版です。

絶対収束なら自由

符号が混ざる場合は、絶対値の和が有限であることを条件にします。

こちらがフビニの定理です[2]。実際の運用では、トネリで絶対値の和を確かめてからフビニを使う、という順で回します。

トネリの定理

非負なら無条件で順序交換してよい。値が でもかまわない

フビニの定理

符号が混ざる場合。絶対値の和が有限であることが条件になる

問題 1:非負の表を計算する

を求めよ。

解答 1

すべての項が非負なので、順序を気にせず内側から計算できます。

外側も同じ形になり、 です。

変数が分離できる表では、二重級数が つの級数の積になります。 の形です。

問題 2:和と積分を交換する

を、積分表示を経由して求めよ。

解答 2

ベータ積分から が出ます。逆に読めば各項の積分表示です。

被積分関数が非負なのでトネリの定理から と を交換できます。

部分分数分解でも出ますが、幾何級数に持ち込むほうが式が短く済みます。

問題 3:順序交換してよいか判定する

について、順序交換が保証されるか。

解答 3

絶対値をとると です。 となる組は 個あります。

一般項が へ行くので発散します。絶対収束しないため、フビニの定理の条件を満たしません。

順序交換の正当性は保証されない。実際に交換できるかどうかは、この判定だけでは決まりません。

問題 4:絶対収束を確かめる

の順序交換が許されるかを判定せよ。

解答 4

です。格子点の和を、第 象限の積分で見積もります。

原点からの距離を とすると被積分関数は で、面積要素が です。

対数で発散します。 が 増えるごとに格子点の数が に比例して増え、各項の をちょうど打ち消すためです。

絶対収束しないので、この表でも順序交換は保証されません。行ごとの和は収束するのに、それを足すと発散する形です。

コーシー積

つの級数の積を、添字の和でまとめたものをコーシー積といいます。

と がともに絶対収束すれば、 も絶対収束して、値は つの和の積になります[3]。

コーシー積は、二重級数 を 対角線ごとに集約 したものです。

絶対収束の仮定が、縦横に足すことと斜めに足すことの一致を保証している。

べき級数の積が収束円の内部で成り立つのも、べき級数が収束円内で絶対収束するためです。

問題 5:コーシー積を計算する

の自分自身とのコーシー積を求めよ。ただし とする。

解答 5

、 なので、積は です。 が から まで動くので項数は 個。

したがって です。

と一致します。 で絶対収束するので、コーシー積の定理が使えました。

無条件収束

絶対収束する二重級数には、もう 段強い性質があります。 の元をどんな順に並べて 列の級数にしても、同じ値に収束します[1]。

条件収束

並べ替えで値が変わりうる。リーマンの再配列定理により、任意の値に並べ替えられる。

絶対収束

並べ替えによらず同じ値になる。行と列の入れ替えも対角線でのまとめ方も、すべて同じ結果を返す。

変数の級数で起きる並べ替えの問題が、 次元では順序交換の問題として現れます。同じ現象の別の顔です。

非負の二重級数について正しいのはどれですか。

  • 順序交換してよい。両辺が同時に有限か、同時に無限になる
  • 収束する場合に限り順序交換してよい
  • 絶対収束を別に確かめる必要がある
__RESULT__

非負なら絶対値をとっても変わらないので、絶対収束の確認は要りません。部分和が単調増加するため上限として値が一意に決まり、 になる場合も両辺で一致します。

絶対値の表で和が有限かを見る。それだけが判定で、あとは自由に足せます。

参考文献

Double series. Encyclopedia of Mathematics.
Fubini theorem. Encyclopedia of Mathematics.
Absolutely convergent series. Encyclopedia of Mathematics.
対角線に $1$、その右隣に $-1$ を置いた表は、行から足すと $0$、列から足すと $1$ になります。最初の列の $1$ だけ打ち消す相手が無限に先送りされるため。順序を入れ替えてよいかは、絶対値の表の和が有限かどうかだけで決まります。非負なら無条件で交換してよく、符号が混ざる場合は絶対収束が条件になる。トネリで絶対値を確かめてからフビニで交換する $2$ 段の手順、和と積分の交換で幾何級数に持ち込む計算、コーシー積が対角線ごとの集約であることまで $5$ 問。