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級数きゅうすう基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_67e5775844aba78e98b4b3edacfa40dfdescription無限級数を部分和の極限として定義し、項が零へ収束する必要性、調和級数の発散、等比級数の完全な収束分類を証明する。prerequisites数列の極限 / 等差数列と等比数列type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/sequence/sequences-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/limits-of-sequences.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/arithmetic-and-geometric-sequences.lecture.n.md / data/lecture/math/calculus/limits-and-continuity.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/power-series-and-frobenius-methods.lecture.n.md
mathsequenceundergraduatelecture

1導入どうにゅう

無限個むげんこ実数じっすう一度いちど加算かさんする演算えんざんは、有限和ゆうげんわからは直接ちょくせつには定義ていぎされない。無限級数むげんきゅうすうあたいは、有限個ゆうげんここうからなる部分和ぶぶんわ数列すうれつとみなし、その極限きょくげんとして定義ていぎする

本講義ほんこうぎでは実数列じっすうれつ (an)n1対象たいしょうとする。級数きゅうすう収束しゅうそくε-N 論法ろんぽう定式化ていしきかし、収束しゅうそく必要条件ひつようじょうけんと、そのぎゃく成立せいりつしないことを証明しょうめいする。さらに、等比級数とうひきゅうすう完全かんぜん分類ぶんるいする。

2部分和ぶぶんわ級数きゅうすう定義ていぎ

N1たいし、だい N 部分和ぶぶんわ

SN=n=1Nan=a1++aN

定義ていぎする。記号きごう n=1an部分和列ぶぶんわれつ (SN)N1 によって解釈かいしゃくする。

部分和列ぶぶんわれつSR収束しゅうそくするとき、級数きゅうすう収束しゅうそくするconvergeといい、

n=1an=S

しるす。すなわち、

ε>0N0NNN0,|n=1Nan-S|<ε

である。部分和列ぶぶんわれつ有限ゆうげん実数じっすう収束しゅうそくしないとき、級数きゅうすう発散はっさんするdivergeという。記号きごう n=1an は、収束しゅうそく確認かくにんする以前いぜんには有限和ゆうげんわのような実数値じっすうちあらわさない。

3収束しゅうそく必要条件ひつようじょうけん

3.1定理ていり

n=1an収束しゅうそくするなら、an0 である。

3.2証明しょうめい

添字端点そえじたんてん統一とういつするため、空和くうわS0=0定義ていぎする。すると、すべての n1 について

an=Sn-Sn-1

である。SnS とする。任意にんいε>0たいし、ある K1存在そんざいして、mK なら |Sm-S|<ε/2 となる。nK+1 なら nK かつ n-1K であるから、

|an|=|Sn-Sn-1||Sn-S|+|Sn-1-S|<ε.

したがって an0 である。

この定理ていり対偶たいぐうにより、an0収束しゅうそくしなければ an発散はっさんする。ただし、an0十分条件じゅうぶんじょうけんではない。

4反例はんれい調和級数ちょうわきゅうすう

調和級数ちょうわきゅうすう

n=11n

では 1/n0 であるが、級数きゅうすう発散はっさんする。実際じっさいm1たいして 2m-1<n2mたす 2m-1 こう一群いちぐんとする。このぐんでは n2m であるから、各項かくこう1/2m 以上いじょうであり、

n=2m-1+12m1n2m-112m=12.

ゆえに k1たいし、端点たんてん重複ちょうふくさせずに

S2k=1+m=1kn=2m-1+12m1n1+k2.

右辺うへんk非有界ひゆうかいである。また SN単調増加たんちょうぞうかするため、SN+ である。したがって調和級数ちょうわきゅうすう発散はっさんし、an0 だけでは級数きゅうすう収束しゅうそく保証ほしょうできない。

5等比級数とうひきゅうすう完全分類かんぜんぶんるい

a,rR とし、

n=0arn

考察こうさつする。N0たいする部分和ぶぶんわTN=n=0Narn とする。

  • a=0 なら、rあたい無関係むかんけいTN=0 であり、級数きゅうすう0収束しゅうそくする。
  • a0 かつ r1 なら、(1-r)TN=a(1-rN+1) であるから
TN=a(1-rN+1)1-r.

|r|<1 では rN+10 なので、

n=0arn=a1-r.
  • a0 かつ r=1 なら TN=a(N+1) であり、a>0 では +a<0 では -発散はっさんする。
  • a0 かつ r=-1 なら TNa,0,a,0,振動しんどうして発散はっさんする。
  • a0 かつ |r|>1 なら、一般項いっぱんこう arn0収束しゅうそくしないため、必要条件ひつようじょうけんにより発散はっさんする。r>1 では a>0 なら部分和ぶぶんわ+a<0 なら -発散はっさんし、r<-1 では絶対値ぜったいち増大ぞうだいしながら符号ふごう交替こうたいする。

したがって、a0場合ばあい等比級数とうひきゅうすう収束しゅうそくするための必要十分条件ひつようじゅうぶんじょうけん|r|<1 である。a=0 はすべての rたいする例外れいがいである。

6判定手順はんていてじゅん

  • まず部分和ぶぶんわ定義ていぎし、その極限きょくげん問題もんだいとする。
  • 一般項いっぱんこう0収束しゅうそくしない場合ばあいは、必要条件ひつようじょうけんによってただちに発散はっさん判定はんていする。
  • 一般項いっぱんこう0収束しゅうそくしても結論けつろん確定かくていしない。部分和ぶぶんわ解析かいせきまたは適切てきせつ収束判定しゅうそくはんてい必要ひつようである。
  • 等比級数とうひきゅうすうでは、まず a=0分離ぶんりし、a0 なら |r|<1いなかを判定はんていする。

7適用範囲てきようはんい

本講義ほんこうぎ収束しゅうそく定義ていぎ最初さいしょ必要条件ひつようじょうけんあつかう。正項級数せいこうきゅうすう比較判定ひかくはんてい絶対収束ぜったいしゅうそく交代級数こうたいきゅうすう冪級数べききゅうすうには追加ついか定理ていりようする。また、有限個ゆうげんここう変更へんこう収束しゅうそく発散はっさん変更へんこうしないが、収束時しゅうそくじはその変更量へんこうりょうだけ変化へんかする。

8基本公式きほんこうしき

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]n=1an=Sε>0N0NN0,|n=1Nan-S|<ε
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]anが収束an0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]a0:n=0arnが収束|r|<1

9要約ようやく

  • 無限級数むげんきゅうすう収束しゅうそく部分和列ぶぶんわれつ収束しゅうそくである。
  • 級数きゅうすう収束しゅうそくには an0必要ひつようであるが、調和級数ちょうわきゅうすうしめすとおり十分じゅうぶんではない。
  • 等比級数とうひきゅうすうは、零級数れいきゅうすう分離ぶんりすれば、|r|<1場合ばあいかぎ収束しゅうそくする。

10関連講義かんれんこうぎ

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Fundamentals of Series

1Introduction

An operation that adds infinitely many real numbers at once is not defined directly by finite addition. The value of an infinite series is defined as the limit of a sequence of partial sums, each containing only finitely many terms.

This lecture concerns a real sequence (an)n1. It formulates convergence of a series by the ε-N criterion, proves a necessary condition and demonstrates why its converse fails, and then classifies every real geometric series.

2Partial Sums and the Definition of a Series

For N1, define the Nth partial sum by

SN=n=1Nan=a1++aN.

The notation n=1an is interpreted through the sequence of partial sums (SN)N1.

The series {converges} to SR if SNS, in which case we write

n=1an=S.

Equivalently,

ε>0N0NNN0,|n=1Nan-S|<ε.

The series {diverges} if its partial sums do not converge to a finite real number. Before convergence is established, the notation n=1an does not denote a real number in the same manner as a finite sum.

3A Necessary Condition for Convergence

3.1Theorem

If n=1an converges, then an0.

3.2Proof

To handle the lower endpoint uniformly, define the empty sum by S0=0. Then, for every n1,

an=Sn-Sn-1.

Suppose SnS. Given any ε>0, there is a K1 such that mK implies |Sm-S|<ε/2. If nK+1, then both nK and n-1K, so

|an|=|Sn-Sn-1||Sn-S|+|Sn-1-S|<ε.

Therefore an0.

By contraposition, if an does not tend to zero, then an diverges. The condition an0, however, is not sufficient.

4Counterexample: The Harmonic Series

In the harmonic series

n=11n,

the terms satisfy 1/n0, but the series diverges. Indeed, for m1, group the 2m-1 terms whose indices satisfy 2m-1<n2m. Every such index satisfies n2m, so every term is at least 1/2m, and

n=2m-1+12m1n2m-112m=12.

Consequently, with no overlap at the endpoints, for k1,

S2k=1+m=1kn=2m-1+12m1n1+k2.

The right-hand side is unbounded as k. Since SN is increasing, in fact SN+. Thus the harmonic series diverges, proving that an0 alone cannot guarantee convergence of a series.

5Complete Classification of Geometric Series

Let a,rR and consider

n=0arn.

For N0, put TN=n=0Narn.

  • If a=0, then TN=0 for every r, so the series converges to 0.
  • If a0 and r1, then (1-r)TN=a(1-rN+1), and hence
TN=a(1-rN+1)1-r.

When |r|<1, we have rN+10, and therefore

n=0arn=a1-r.
  • If a0 and r=1, then TN=a(N+1), which diverges to + for a>0 and to - for a<0.
  • If a0 and r=-1, then TN oscillates as a,0,a,0, and diverges.
  • If a0 and |r|>1, then the term arn does not tend to zero, so the necessary condition proves divergence. For r>1, the partial sums tend to + if a>0 and to - if a<0; for r<-1, their signs alternate while their absolute values grow.

Thus, when a0, the geometric series converges if and only if |r|<1. The case a=0 is an exception that converges for every r.

6Decision Procedure

  • First define the partial sums and ask whether that sequence has a limit.
  • If the general term does not tend to zero, conclude immediately from the necessary condition that the series diverges.
  • If the general term tends to zero, no conclusion follows yet; analyze the partial sums or apply an appropriate convergence test.
  • For a geometric series, first separate a=0; when a0, determine whether |r|<1.

7Scope

This lecture develops the definition of convergence and its first necessary condition. Comparison tests for positive-term series, absolute convergence, alternating series, and power series require additional theorems. Changing finitely many terms does not change whether a series converges or diverges, although in the convergent case it changes the sum by the corresponding finite amount.

8Basic Formulas

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]n=1an=Sε>0N0NN0,|n=1Nan-S|<ε
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]anconvergesan0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]a0:n=0arnconverges|r|<1

9Summary

  • Convergence of an infinite series means convergence of its sequence of partial sums.
  • The condition an0 is necessary but not sufficient, as the harmonic series demonstrates.
  • After the zero series is separated, a geometric series converges exactly when |r|<1.

10Related Lectures

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