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第 n 項判別法與調和陷阱

若級數收斂,其各項必須縮向零——這是條單行道,給出一個快速的發散判別法,卻絕不能證明收斂。調和級數是那個警世故事:它的各項趨於零,和卻奔向無窮。

為什麼收斂逼迫各項歸零

這是關於級數的第一個一般定理,它直接從部分和定義中掉出來。若 sum a_n 收斂,則 a_n -> 0。理由:單獨一項 a_n 等於 s_n - s_{n-1},即相鄰部分和之間的差。若 s_n 與 s_{n-1} 都奔向同一極限 s,這個差就被擠到零。

Theorem. If sum a_n converges then a_n -> 0.

Proof. Let s_N be the partial sums and suppose s_N -> s.
   For n >= 2 we have a_n = s_n - s_(n-1).
   The tail s_(n-1) also tends to s (it's the same sequence shifted).
   By the algebra of limits,
      a_n = s_n - s_(n-1) -> s - s = 0.
   Hence a_n -> 0.  QED

Contrapositive (the usable form):
   If a_n does NOT tend to 0, then sum a_n diverges.

Example. sum n/(n+1):  a_n = n/(n+1) -> 1, not 0.
   So sum n/(n+1) diverges.  (No partial-sum work needed.)
一個短證明,再取其逆否——這就是發散的第 n 項判別法。

實踐中我們用逆否命題:這就是發散的第 n 項判別法。若 a_n 不趨於 0,級數就不可能收斂,到此為止。它是你手頭最便宜的檢查——永遠先跑它。

單行道

全部危險都住在這條單行道裡。初學者看到 a_n -> 0 就斷定和是有限的。這是本學科裡最常見的一個錯誤,而調和級數存在的意義正是為了反駁它。

調和級數發散

級數 sum 1/n 的各項 1/n -> 0,它卻發散。經典證明(約 1350 年 Oresme 所作)把各項分成塊,每塊從下方用 1/2 控制。於是部分和越過每一個界——慢,卻沒有上限。

Claim. sum_{n=1}^∞ 1/n diverges, even though 1/n -> 0.

Group the terms in blocks of length 1, 2, 4, 8, ...:

  1
+ 1/2
+ (1/3 + 1/4)            >= 1/4 + 1/4 = 1/2
+ (1/5 + 1/6 + 1/7 + 1/8) >= 4 * (1/8) = 1/2
+ (1/9 + ... + 1/16)      >= 8 * (1/16) = 1/2
+ ...

Each parenthesized block of 2^(k-1) terms is >= 1/2,
because its smallest term is 1/2^k and there are 2^(k-1) of them:
   2^(k-1) * (1/2^k) = 1/2.

So s_(2^k) >= 1 + k*(1/2).
The right side -> infinity as k -> infinity,
therefore the partial sums are unbounded and the series diverges.  QED
按 2 的冪把各項分塊;每塊至少貢獻 1/2,永無止境。