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部分和が書ければ和は出る?等比でない無限級数の収束と発散

を途中まで足すと、 項で 、 項で 、 項で である。

公比のない級数だが、和は に決まる。部分和が という閉じた形で書けるからである[1]。

等比級数には という公式があった。そうでない級数は、部分和を自分で作るところから始める。

部分和が書ければ極限がとれる

無限級数 の第 部分和は である[1]。

が収束すれば級数は収束し、その極限を級数の和と呼ぶ。発散すれば和は存在しない。

級数の話は、部分和という数列の話に置きかわる。難しいのは を閉じた形で書くところで、そこさえ越えれば後は数列の極限である。

例:部分分数に分けてたたむ

と分けると、隣どうしが打ち消し合う[1]。

中間の項が全部消え、最初と最後だけが残る。望遠鏡をたたむ形なので、望遠鏡和と呼ばれる。

canvas: 式は呼び出しにそのまま書いてください。この引数は焼けません -> drawMath(… '+\\frac{1}{' + index + '}' …)

例:隣どうしでない打ち消し

では、分けたときの差が 2 つ飛びになる。

側と 側が 2 つずれるので、頭に 2 つ、尻尾に 2 つ残る。

ずれの個数だけ残る項が増える。分けた形を書き、実際に何項か並べて確かめておく。

例:たためても発散する

を見る。分母を有理化すると差の形になる。

部分和は で、 とすると に発散する。

たためることと収束することは別である。残った項が に向かうかどうかで決まる。

級数どうしの足し算

と がどちらも収束するなら、和と差も収束して次が成り立つ。

部分和どうしの計算なので、数列の極限の四則がそのまま移る。

発散する級数を含む場合は使えない。 は だが、 単独は発散するので、2 つに分けて書けない。

一般項が へ向かわなければ発散

級数が収束するなら、一般項は必ず に向かう[3]。対偶をとると判定法になる[2]。

は一般項が に向かうので、足す前に発散と分かる。

も一般項の極限が存在しないので発散する。手軽で、まず最初に当てる判定になる。

この判定は、発散を示すときにだけ使える[2]。

一般項が に向かっても、そこから収束は言えない。判定は「分からない」で終わる。

一般項が でも収束しない

を調和級数という。一般項は に向かうのに、和は発散する[1][3]。

項を 個、 個、 個と束にすると理由が見える。各束の中でいちばん小さい項に置きかえても、束の合計は を下回らない。

束を 個集めれば部分和は を超える。壁をいくらでも越えられる。

乗の分母では境目がある

は で収束し、 で発散する[2]。

境目はちょうど 、つまり調和級数である。 は発散する側に入る。

なら収束し、 なら発散する。指数がわずかに を超えるだけで結果が変わる。

例: が収束することを手で示す

では なので、次の不等式が成り立つ。

右辺の和は望遠鏡和になり、 である。したがって部分和は を超えない。

増え続けて上に有界なので収束する。ここまでは高校の道具だけで書ける。

値そのものは難しい。オイラーが 1735 年に だと示した[4]。 である。

部分和は 項で 、 項で 、 項で 。近づき方はかなり遅い。

積分と比べて判定する

正で減っていく項なら、対応する関数の広義積分と運命を共にする[2]。

となる連続で減少する をとると、 と は同時に収束し、同時に発散する[2]。

短冊と曲線の面積を比べる形なので、区分求積と同じ図で理解できる。

短冊は曲線の上に出るので、 が成り立つ。

右辺が に発散するので、調和級数も発散する。束を作る議論と同じ結論が、面積の比較から出てくる。

なら で有限なので、こちらは収束する側になる。

符号が交互に変わる級数

は収束する。値は である。

部分和は 、、、、、 と、上下をまたぎながら幅を狭めていく。

絶対値をとった は発散する。符号が交互に入ることで、打ち消し合いが起きている。

符号がそろっている

項が積み上がる一方。 は発散する

符号が交互に変わる

行き過ぎと戻りを繰り返す。 は に収束する

の和はいくつか。

__RESULT__

と分けると、頭に 3 項残る。 である。 は係数だけを答えた値、 はずれを 1 つと見た誤りになる。

判定法のほうも確かめる。

はどうなるか。

  • 一般項が に向かうので収束する
  • が 以下なので発散する
  • 一般項の極限が存在しないので発散する
__RESULT__

で なので発散する。一般項は に向かうが、そこから収束は言えない。極限は存在するので、3 番目の理由も誤りである。

等比級数以外では、部分和を閉じた形にできるかどうかが最初の分かれ道になる。書けなければ、収束するかしないかだけを判定法で決める。

出典

*Infinite Series*. Calculus Volume 2, OpenStax.
*The Divergence and Integral Tests*. Calculus Volume 2, OpenStax.
Claus Michael Ringel. *Folgen und Reihen*. Leitfaden Funktionen, Universität Bielefeld.
Leonhard Euler. MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews.
$\frac{1}{1\cdot 2}+\frac{1}{2\cdot 3}+\cdots$ は $1000$ 項で $0.9990$、和は $1$ です。公比がなくても、部分和が $1-\frac{1}{k+1}$ と閉じた形に書ければ極限がとれる。部分分数に分けて打ち消し合わせる手を、ずれが 2 つ 3 つの場合まで並べました。一般項が $0$ へ向かわなければ発散、向かっても収束とは限りません。調和級数を束で押さえる議論、$\sum\frac{1}{n^{p}}$ の境目、$\sum\frac{1}{n^{2}}$ が $2$ 未満で収束することの初等的な証明、積分との比較、交代級数まで。