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

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

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。

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

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。

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

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。

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

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。

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

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,

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

線性

要成為線性的,和必須是可分配和可分解的:

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

在線性條件下,長度相等的和的項可以分組,

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

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,

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

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

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

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。

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

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,

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

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,

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

s_k是其第k個部分和,那麼

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

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,

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

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

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

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

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

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

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

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,

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

所以代入s=-1到zeta函數的級數表示中,得到,

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

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

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

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

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

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。

教育分類資訊推薦

積極推動防非知識進校園 「百校防非計劃」圓滿收官 - 天天要聞

積極推動防非知識進校園 「百校防非計劃」圓滿收官

在防範和打擊非法金融活動部際聯席會議辦公室指導下,由人民網聯合中國金融傳媒集團發起的「百校防非計劃」日前圓滿結束。作為2025年度防範非法金融活動宣傳月的核心項目,該計劃以「守住錢袋子·護好幸福家」....
美股三個月暴漲10萬億美元創紀錄,特朗普「大而美」法案本周關鍵投票 - 天天要聞

美股三個月暴漲10萬億美元創紀錄,特朗普「大而美」法案本周關鍵投票

美股三大指數在4月觸底後迎來強勁反彈,標普500指數和納斯達克指數重新刷新歷史新高。特朗普在社交媒體上發佈慶祝圖片,對市場表現表示讚賞。標普500指數在不到三個月時間內市值增長超過10萬億美元,創下指數從高位下跌15%以上重新突破新高的最短紀錄。歷史數據表明,7月通常是美股表現最佳的月份之一,投資者需要密切關注...
AI填志願靠譜嗎?實測10款熱門產品:存在定位偏差、信息失實等硬傷 - 天天要聞

AI填志願靠譜嗎?實測10款熱門產品:存在定位偏差、信息失實等硬傷

新京報記者 馮琪 編輯 繆晨霞 巫慧 校對 穆祥桐2025年全國高考分數已經公布,各地已陸續開啟高考志願填報環節。今年高考志願填報季,AI技術的深度介入成為顯著亮點,多家教育科技公司和互聯網巨頭都推出了基於人工智能大模型的智能志願填報產品和服務。用AI填志願靠譜嗎?它是否能針對考生的實際情況給出個性化的志願填報方...
吉林大學與復旦大學都是985,在實力上,兩所高校差距有多大? - 天天要聞

吉林大學與復旦大學都是985,在實力上,兩所高校差距有多大?

導讀:吉林大學與復旦大學都是985,在實力上,兩所高校差距有多大?在中國的教育星空中,吉林大學與復旦大學猶如兩顆璀璨的明珠,各自散發著獨特的光芒。它們同屬於985工程高校,代表着中國高等教育的頂尖水平。然而,就像夜空中的星星,雖然都閃耀着光
暑期文言文知識點預習,八年級必考知識點全在這份清單里! - 天天要聞

暑期文言文知識點預習,八年級必考知識點全在這份清單里!

暑期預習這樣做,新學期語文文言文提分30+!八年級必考知識點全在這份清單里!各位家長朋友,暑假可是彎道超車的黃金期!別讓孩子把文言文當"天書",現在預習這些,開學直接領跑班級!作為帶過8屆畢業班的語文老師,我深知八年級文言文有多"坑":生僻
為什麼學生做筆記時會突然炸毛?從大腦疲勞到課堂PUA的底層邏輯 - 天天要聞

為什麼學生做筆記時會突然炸毛?從大腦疲勞到課堂PUA的底層邏輯

歷史課上,老師剛轉身板書,教室里就開始窸窸窣窣;讓記的知識點剛寫了一半,後排學生已經開始發獃——這樣的場景,不少老師和家長都很熟悉。最近有位歷史老師氣沖沖找到我:「全班都在抱怨筆記太多,有學生甚至直接罵我笨蛋!」這背後,真的只是孩子不認真、