来来来,做一个黎曼重排定理的实验

今天的主题是黎曼重排定理 。定理断言 , “条件收敛的实数项级数通过重排可以收敛到任意实数” 。我们接下来将要对此详细说明 , 暂时看不懂这个定理的人也请放心 。
无穷级数绝对收敛是指 , 级数各项取绝对值也收敛 。
就像“绝对收敛”这个名称的字面意思那样 。
相对地 , 条件收敛是指无穷级数收敛但不是绝对收敛 。
比如 , 平方数的倒数之和是绝对收敛 。

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自然数的倒数的交错级数是条件收敛 。

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也许会有人提出疑问“为什么要关心绝对收敛和条件收敛呢?” , 这是有原因的 。
绝对收敛级数 , 不论哪种求和顺序都收敛到同一个值 。总之 , 不需要关心求和顺序 。
另一方面 , 对于条件收敛级数 , 收敛的值随着求和顺序而改变 。条件收敛也太顽皮了呢 。
例如 , 式(2)的级数收敛到log2 , 我们改变求和顺序如下:

来来来,做一个黎曼重排定理的实验

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求和收敛到 3log2/2 。(计算过程请自行确认即可)
更有趣的是 , 根据本文开头提到的黎曼重排定理 , 对于条件收敛级数 , 通过改变求和顺序 , 可以使级数收敛到任意实数 。

来来来,做一个黎曼重排定理的实验

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不管怎么说 , “任意的实数”给人很不显然的感觉呢 。
定理的完整内容和证明 , 参见网上的其他 。
总之定理是可以证明的 。在这里没有详细证明 , 会让人迷迷糊糊摸不着头脑 , 感觉好像很难的样子 。
想要好好的理解定理 , 试着去看前面提到的证明 , 是可以比预想中更清晰地理解的 。而且 , 如果仔细地阅读证明 , 就会注意到证明之中包含了让级数收敛到任意实数的方法 。
不管怎么说 , 我们能让级数收敛到喜欢的实数值 , 这应该是很有趣的!
前面的引子说了这么长 , 今天的文章要介绍的是让条件收敛级数收敛到期望实数的步骤 。
让级数收敛到期望实数的步骤
(需要准备的东西)
1、 条件收敛级数(1个):

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这里的a_n全部为实数
2、 想要收敛到的实数(你喜欢的数都可以):r
(步骤)
①将原级数数列分为“正项组成的数列”和“负项组成的数列” 。※由于假定原级数为条件收敛 , 因此我们知道划分出来的两个级数都发散 。
②只使用“正项组成的数列”的项求和 , 使得部分和恰好大于要收敛到的实数 。※因为正项组成的级数是发散级数 , 对于任意实数 , 存在有限部分和大于这个实数 。
③只使用“负项组成的数列”的项求和 , 使得部分和恰好小于要收敛到的实数 。
④使用“正项组成的数列”余下的项求和 , 使得部分和再一次恰好大于要收敛到的实数 。
⑤使用“负项组成的数列”余下的项求和 , 使得部分和再一次恰好小于要收敛到的实数 。
⑥接下来重复步骤④和⑤
仅此而已 。
通过以上步骤 , 级数确实收敛到指定的实数 。(详细证明请参照相关资料)
让交错级数收敛到期望的实数
接下来我们试着具体实行上面的步骤 。
实验对象当然是交错级数了:

来来来,做一个黎曼重排定理的实验

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作为具体的例子 , 我们试着改变求和顺序使级数收敛到r=2 。
①把级数数列划分为“正项组成的数列”

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和“负项组成的数列”

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②使用“正项组成的数列”的项求和 , 使得部分和恰好大于r=2 。实际上计算到1/15 , 部分和大于2: