級数の基本
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1導入
無限個の実数を一度に加算する演算は、有限和からは直接には定義されない。無限級数の値は、有限個の項からなる部分和を数列とみなし、その極限として定義する。
本講義では実数列 (a_n)_{n\geq1} を対象とする。級数の収束を \varepsilon-N 論法で定式化し、収束の必要条件と、その逆が成立しないことを証明する。さらに、等比級数を完全に分類する。
2部分和と級数の定義
N\geq1 に対し、第 N 部分和を
S_N=\sum_{n=1}^{N}a_n=a_1+\cdots+a_N
と定義する。記号 \sum_{n=1}^{\infty}a_n は部分和列 (S_N)_{N\geq1} によって解釈する。
部分和列が S\in\mathbb R に収束するとき、級数は収束するといい、
\sum_{n=1}^{\infty}a_n=S
と記す。すなわち、
\forall\varepsilon>0\ \exists N_0\in\mathbb N\ \forall N\geq N_0,
\qquad \left|\sum_{n=1}^{N}a_n-S\right|<\varepsilon
である。部分和列が有限な実数へ収束しないとき、級数は発散するという。記号 \sum_{n=1}^{\infty}a_n は、収束を確認する以前には有限和のような実数値を表さない。
3収束の必要条件
3.1定理
\sum_{n=1}^{\infty}a_n が収束するなら、a_n\to0 である。
3.2証明
添字端点を統一するため、空和を S_0=0 と定義する。すると、すべての n\geq1 について
a_n=S_n-S_{n-1}
である。S_n\to S とする。任意の \varepsilon>0 に対し、ある K\geq1 が存在して、m\geq K なら |S_m-S|<\varepsilon/2 となる。n\geq K+1 なら n\geq K かつ n-1\geq K であるから、
|a_n|=|S_n-S_{n-1}|
\leq|S_n-S|+|S_{n-1}-S|<\varepsilon.
したがって a_n\to0 である。\square
この定理の対偶により、a_n が 0 に収束しなければ \sum a_n は発散する。ただし、a_n\to0 は十分条件ではない。
4反例:調和級数
調和級数
\sum_{n=1}^{\infty}\frac1n
では 1/n\to0 であるが、級数は発散する。実際、m\geq1 に対して 2^{m-1}<n\leq2^m を満たす 2^{m-1} 個の項を一群とする。この群では n\leq2^m であるから、各項は 1/2^m 以上であり、
\sum_{n=2^{m-1}+1}^{2^m}\frac1n
\geq 2^{m-1}\frac1{2^m}=\frac12.
ゆえに k\geq1 に対し、端点を重複させずに
S_{2^k}=1+\sum_{m=1}^{k}\sum_{n=2^{m-1}+1}^{2^m}\frac1n
\geq1+\frac{k}{2}.
右辺は k\to\infty で非有界である。また S_N は単調増加するため、S_N\to+\infty である。したがって調和級数は発散し、a_n\to0 だけでは級数の収束を保証できない。
5等比級数の完全分類
a,r\in\mathbb R とし、
\sum_{n=0}^{\infty}ar^n
を考察する。N\geq0 に対する部分和を T_N=\sum_{n=0}^{N}ar^n とする。
- a=0 なら、r の値に無関係に T_N=0 であり、級数は 0 に収束する。
- a\ne0 かつ r\ne1 なら、(1-r)T_N=a(1-r^{N+1}) であるから
T_N=\frac{a(1-r^{N+1})}{1-r}.
|r|<1 では r^{N+1}\to0 なので、
\sum_{n=0}^{\infty}ar^n=\frac{a}{1-r}.
- a\ne0 かつ r=1 なら T_N=a(N+1) であり、a>0 では +\infty、a<0 では -\infty へ発散する。
- a\ne0 かつ r=-1 なら T_N は a,0,a,0,\ldots と振動して発散する。
- a\ne0 かつ |r|>1 なら、一般項 ar^n が 0 に収束しないため、必要条件により発散する。r>1 では a>0 なら部分和は +\infty、a<0 なら -\infty へ発散し、r<-1 では絶対値が増大しながら符号が交替する。
したがって、a\ne0 の場合、等比級数が収束するための必要十分条件は |r|<1 である。a=0 はすべての r に対する例外である。
6判定手順
- まず部分和を定義し、その極限を問題とする。
- 一般項が 0 に収束しない場合は、必要条件によって直ちに発散と判定する。
- 一般項が 0 に収束しても結論は確定しない。部分和の解析または適切な収束判定が必要である。
- 等比級数では、まず a=0 を分離し、a\ne0 なら |r|<1 か否かを判定する。
7適用範囲
本講義は収束の定義と最初の必要条件を扱う。正項級数の比較判定、絶対収束、交代級数、冪級数には追加の定理を要する。また、有限個の項の変更は収束・発散を変更しないが、収束時の和はその変更量だけ変化する。
8基本公式
\boxed{\sum_{n=1}^{\infty}a_n=S\iff
\forall\varepsilon>0\ \exists N_0\ \forall N\geq N_0,
\left|\sum_{n=1}^{N}a_n-S\right|<\varepsilon}
\boxed{\sum a_n\text{ が収束}\ \Longrightarrow\ a_n\to0}
\boxed{a\ne0:\quad \sum_{n=0}^{\infty}ar^n\text{ が収束}\iff |r|<1}
9要約
- 無限級数の収束は部分和列の収束である。
- 級数の収束には a_n\to0 が必要であるが、調和級数が示すとおり十分ではない。
- 等比級数は、零級数を分離すれば、|r|<1 の場合に限り収束する。
10関連講義
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
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 (a_n)_{n\geq1}. It formulates convergence of a series by the \varepsilon-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 N\geq1, define the Nth partial sum by
S_N=\sum_{n=1}^{N}a_n=a_1+\cdots+a_N.
The notation \sum_{n=1}^{\infty}a_n is interpreted through the sequence of partial sums (S_N)_{N\geq1}.
The series {converges} to S\in\mathbb R if S_N\to S, in which case we write
\sum_{n=1}^{\infty}a_n=S.
Equivalently,
\forall\varepsilon>0\ \exists N_0\in\mathbb N\ \forall N\geq N_0,
\qquad \left|\sum_{n=1}^{N}a_n-S\right|<\varepsilon.
The series {diverges} if its partial sums do not converge to a finite real number. Before convergence is established, the notation \sum_{n=1}^{\infty}a_n does not denote a real number in the same manner as a finite sum.
3A Necessary Condition for Convergence
3.1Theorem
If \sum_{n=1}^{\infty}a_n converges, then a_n\to0.
3.2Proof
To handle the lower endpoint uniformly, define the empty sum by S_0=0. Then, for every n\geq1,
a_n=S_n-S_{n-1}.
Suppose S_n\to S. Given any \varepsilon>0, there is a K\geq1 such that m\geq K implies |S_m-S|<\varepsilon/2. If n\geq K+1, then both n\geq K and n-1\geq K, so
|a_n|=|S_n-S_{n-1}|
\leq|S_n-S|+|S_{n-1}-S|<\varepsilon.
Therefore a_n\to0. \square
By contraposition, if a_n does not tend to zero, then \sum a_n diverges. The condition a_n\to0, however, is not sufficient.
4Counterexample: The Harmonic Series
In the harmonic series
\sum_{n=1}^{\infty}\frac1n,
the terms satisfy 1/n\to0, but the series diverges. Indeed, for m\geq1, group the 2^{m-1} terms whose indices satisfy 2^{m-1}<n\leq2^m. Every such index satisfies n\leq2^m, so every term is at least 1/2^m, and
\sum_{n=2^{m-1}+1}^{2^m}\frac1n
\geq 2^{m-1}\frac1{2^m}=\frac12.
Consequently, with no overlap at the endpoints, for k\geq1,
S_{2^k}=1+\sum_{m=1}^{k}\sum_{n=2^{m-1}+1}^{2^m}\frac1n
\geq1+\frac{k}{2}.
The right-hand side is unbounded as k\to\infty. Since S_N is increasing, in fact S_N\to+\infty. Thus the harmonic series diverges, proving that a_n\to0 alone cannot guarantee convergence of a series.
5Complete Classification of Geometric Series
Let a,r\in\mathbb R and consider
\sum_{n=0}^{\infty}ar^n.
For N\geq0, put T_N=\sum_{n=0}^{N}ar^n.
- If a=0, then T_N=0 for every r, so the series converges to 0.
- If a\ne0 and r\ne1, then (1-r)T_N=a(1-r^{N+1}), and hence
T_N=\frac{a(1-r^{N+1})}{1-r}.
When |r|<1, we have r^{N+1}\to0, and therefore
\sum_{n=0}^{\infty}ar^n=\frac{a}{1-r}.
- If a\ne0 and r=1, then T_N=a(N+1), which diverges to +\infty for a>0 and to -\infty for a<0.
- If a\ne0 and r=-1, then T_N oscillates as a,0,a,0,\ldots and diverges.
- If a\ne0 and |r|>1, then the term ar^n does not tend to zero, so the necessary condition proves divergence. For r>1, the partial sums tend to +\infty if a>0 and to -\infty if a<0; for r<-1, their signs alternate while their absolute values grow.
Thus, when a\ne0, 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 a\ne0, 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
\boxed{\sum_{n=1}^{\infty}a_n=S\iff
\forall\varepsilon>0\ \exists N_0\ \forall N\geq N_0,
\left|\sum_{n=1}^{N}a_n-S\right|<\varepsilon}
\boxed{\sum a_n\text{ converges}\ \Longrightarrow\ a_n\to0}
\boxed{a\ne0:\quad \sum_{n=0}^{\infty}ar^n\text{ converges}\iff |r|<1}
9Summary
- Convergence of an infinite series means convergence of its sequence of partial sums.
- The condition a_n\to0 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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data/lecture/math/sequence/arithmetic-and-geometric-sequences.lecture.n.md
data/lecture/math/calculus/limits-and-continuity.lecture.n.md
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