為什麼1 + 2 + 4 + 8 + … = -1?關於無窮髮散級數和的計算

2022年10月16日14:13:24 教育 1608

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為了滿足你的好奇心,把你從數學術語中解救出來,簡單的解釋是:

x = 1 + 2 + 4 + 8 + …

x = 1+ (2 + 4 + 8 + …)

x = 1+ 2(1 + 2+ 4 + 8…)

x = 1+ 2x

x = -1

這與計算收斂無窮級數的方法幾乎完全相同。但對於收斂級數,如1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16…很容易可視化和理解,而發散級數則不然。

發散與收斂

收斂級數是其和趨於某個數字的級數。例如,收斂級數1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 +…顯然趨近於某個極限,即1,如下面的幾何圖所示。

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我們也可以用它們的「部分和」來區分發散和收斂。顧名思義,「部分和」是數列中一部分項的和。我們可以用幾何級數的公式表示1/2 + 1/4 + 1/8的前n項的部分和。

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通過這個公式,我們看到一個收斂級數的部分和似乎趨近於1,這在函數圖中更加明顯。

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然而,在發散的情況下,部分和不趨近於一個值,而是發散到無窮大。

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計算髮散級數的「規則」

定義(正則):如果級數的求和方法給出了收斂級數的正確答案(即部分和數列的極限),則求和方法是正則的,

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線性

要成為線性的,和必須是可分配和可分解的:

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在線性條件下,長度相等的和的項可以分組,

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穩定性

定義:當可以從求和中「提取」項時,求和方法就具有穩定性,

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並不是所有級數求和方法都滿足這些條件(特別是穩定性)。注意,大多數對級數求和的方法並不適用於每個級數;目標是找到並使用儘可能多有趣和重要的級數相加的方法。

線性與穩定性結合

x = 1 + 2 + 4 + 8 + …

(1) x = 1+ (2 + 4 + 8 + …)

(2) x = 1+ 2(1 + 2+ 4 + 8…)

x = 1+ 2x

x = -1

顯然,這個發散級數的極限是無窮大,而我得到了一個有限值答案。但我們可以證明它確實符合線性和穩定性,

(1) x = 1+ (2 + 4 + 8 + …)

在(1)中,我們可以從求和中提取一項,這相當於

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因此我們可以說求和法是穩定的。

(2) x = 1+ 2(1 + 2+ 4 + 8…)

對於(2)我們可以從和式中提出2,這就等於

這表明級數是線性的。

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有了這個,就得到了1 + 2 + 4 + 8 + … = -1的答案。

這個答案似乎都很奇怪,但請注意,它們都代表了一個已知幾何級數公式的延續,

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在微積分中,我們知道,只有當r∈(-1,1)時,級數才收斂。得到上述例子答案的一種方法是使用這個公式,但要代入收斂區間之外的值,即r= 2。當然,這不是一般的求和方法,但它確實給了我們一種直觀的感覺,讓我們知道答案是從哪裡來的。

蔡查羅求和

蔡查羅求和的方法如下:取無限級數部分和平均值的極限。假設一個級數,

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s_k是其第k個部分和,那麼

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k趨近於無窮大時的極限(如果存在)就是級數的極限。

例如,1-1+1-1+1-1+……,部分和是1,0,1,0,1……,級數是不收斂的,因為這個數列的極限不存在。但是部分和的平均值級數是,

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它收斂與1/2,所以這個級數(1-1+1-1+1-1+……)是蔡查羅可求和的嗎,答案是1/2。

蔡查羅可求和性允許某些具有振蕩部分和序列的級數被「平滑」,但如果級數的部分和變成無窮大(如調和級數),部分和的平均值也會達到無窮。本文的例子「1 + 2 + 4 + 8 + …」不可蔡查羅求和。

阿貝爾求和

阿貝爾求和涉及冪級數的極限:如果極限存在,定義

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這說明如果級數收斂,那麼上面方程右邊的極限存在並且等於這個和。注意1-1+1-1+1-1+……是可阿貝爾求和的,因為

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事實上,任何可蔡查羅求和的級數也是可阿貝爾求和的,它們的和是一樣的。因此,阿貝爾可求和性更強。

黎曼zeta函數正則化

利用復值函數的解析延拓定義了一些求和方法。函數f的解析延拓是函數g,它定義在比f更大的集合上,它在定義域上處處可微。

最具啟發性的例子是黎曼zeta函數

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只有當複數s的實部Re(s)大於1時,級數才收斂,但是有一個函數方程,它將zeta函數擴展為一個除了s= 1之外都定義良好且處處可微的函數。這個函數方程可進行如下計算,

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所以代入s=-1到zeta函數的級數表示中,得到,

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結果證明,這個和在弦理論和量子力學一維卡西米爾效應的計算中有實際應用。

函數

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可能會收斂在一個復半平面上,但如果它可以解析地延拓到定義為s= -1的函數,則可以將函數在-1處的值與級數的和聯繫起來。注意,這種方法是穩定的,但不是線性的。

狄利克雷級數正則化

另一個有時被稱為zeta函數正則化的概念是狄利克雷級數

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如果f可以解析延拓到0,那麼將f(0)的值賦值給右邊。這是一種不同於zeta函數正則化的方法,它是線性的,但不穩定。

發散級數的和通常在物理中有應用,如1+2+3+4+……,一般的思想是,如果一個物理情況由一個函數f描述,這個函數f由一個級數定義,它只收斂於一些不包括s的值集,那麼f的解析延拓g有一些更大的值集(包括s),它與f密切相關,以至於g(s)可以有一些有意義的物理解釋,即使f(s)沒有定義。

僅僅是對無窮髮散級數的研究就能讓我們得到一些有趣的見解,正如萊昂哈德·歐拉向我們展示的那樣——對數學整體有深刻的發現。

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