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第 n 项判别法与调和陷阱

若级数收敛,其各项必须缩向零——这是条单行道,给出一个快速的发散判别法,却绝不能证明收敛。调和级数是那个警世故事:它的各项趋于零,和却奔向无穷。

为什么收敛逼迫各项归零

这是关于级数的第一个一般定理,它直接从部分和定义中掉出来。若 sum a_n 收敛,则 a_n -> 0。理由:单独一项 a_n 等于 s_n - s_{n-1},即相邻部分和之间的差。若 s_n 与 s_{n-1} 都奔向同一极限 s,这个差就被挤到零。

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.)
一个短证明,再取其逆否——这就是发散的第 n 项判别法。

实践中我们用逆否命题:这就是发散的第 n 项判别法。若 a_n 不趋于 0,级数就不可能收敛,到此为止。它是你手头最便宜的检查——永远先跑它。

单行道

全部危险都住在这条单行道里。初学者看到 a_n -> 0 就断定和是有限的。这是本学科里最常见的一个错误,而调和级数存在的意义正是为了反驳它。

调和级数发散

级数 sum 1/n 的各项 1/n -> 0,它却发散。经典证明(约 1350 年 Oresme 所作)把各项分成块,每块从下方用 1/2 控制。于是部分和越过每一个界——慢,却没有上限。

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 的幂把各项分块;每块至少贡献 1/2,永无止境。