Divergentní série - Divergent series
quelque si vybral de bien fatal et c'est une honte qu'on ose y fonder aucune démonstration. („Divergentní série jsou obecně něco fatálního a je hanbou založit na nich jakýkoli důkaz.“ Často se překládá jako „Divergentní série jsou ďáblův vynález… “)
N. H. Abel, dopis Holmboeovi, leden 1826, dotisk ve svazku 2 jeho sebraných papírů.
v matematika, a divergentní série je nekonečná řada to není konvergentní, což znamená, že nekonečný sekvence z částečné částky série nemá konečnou hodnotu omezit.
Pokud řada konverguje, musí se jednotlivé členy řady přiblížit nule. Jakákoli řada, ve které se jednotlivé termíny nepřibližují k nule, se tedy rozchází. Konvergence je však silnější podmínkou: ne všechny řady, jejichž termíny se blíží nule, konvergují. Protikladem je harmonická řada
Divergence harmonické řady bylo prokázáno středověký matematik Nicole Oresme.
Ve specializovaných matematických kontextech lze hodnoty objektivně přiřadit určitým řadám, jejichž posloupnosti dílčích součtů se rozcházejí, aby bylo možné pochopit divergenci řady. A metoda summability nebo metoda sčítání je částečná funkce od množiny sérií k hodnotám. Například, Cesàro součet přiřadí Grandiho odlišná série.
hodnota 1/2. Souhrn Cesàro je průměrování metoda spočívá v tom, že aritmetický průměr posloupnosti dílčích součtů. Další metody zahrnují analytické pokračování souvisejících sérií. v fyzika existuje široká škála metod sčítání; podrobněji o nich pojednává článek v regulace.
Dějiny
G. H. Hardy, Divergentní série, strana 6
Před 19. stoletím byly divergentní řady široce používány Leonhard Euler a další, ale často vedly k matoucím a rozporuplným výsledkům. Hlavním problémem byla Eulerova myšlenka, že každá divergentní řada by měla mít přirozený součet, aniž by nejprve definovala, co se rozumí součtem divergentní řady. Augustin-Louis Cauchy nakonec dal přísnou definici součtu (konvergentní) řady a po nějakou dobu poté byly divergentní řady z matematiky většinou vyloučeny. Znovu se objevili v roce 1886 s Henri Poincaré práce na asymptotických sériích. V roce 1890 Ernesto Cesàro si uvědomil, že je možné přesně definovat součet některých divergentních řad a definovat Cesàro součet. (Toto nebylo první použití součtu Cesàro, který implicitně použil Ferdinand Georg Frobenius v roce 1880; Klíčovým přínosem Cesàra nebylo objevení této metody, ale jeho myšlenka, že je třeba výslovně definovat součet divergentní řady.) V letech po Cesàroově práci několik dalších matematiků poskytlo další definice součtu divergentní řady , i když nejsou vždy kompatibilní: různé definice mohou dát různé odpovědi na součet stejné divergentní řady; takže když mluvíme o součtu divergentní řady, je nutné specifikovat, kterou metodu sčítání člověk používá.
Věty o metodách sčítání odlišných řad
Metoda summability M je pravidelný pokud souhlasí se skutečným limitem pro všechny konvergentní řady. Takový výsledek se nazývá Abelianova věta pro Mz prototypu Ábelova věta. Zajímavější a obecně jemnější jsou částečné konverzní výsledky, tzv Tauberianovy věty, z prototypu prokázaného Alfred Tauber. Tady částečná konverzace znamená, že pokud M shrnuje řadu Σ, a tedy nějaké vedlejší podmínky Σ byl konvergentní na prvním místě; bez jakýchkoli vedlejších podmínek by takový výsledek řekl M pouze sčítané konvergentní řady (což je zbytečné jako metoda součtu pro divergentní řady).
Funkce udávající součet konvergentní řady je lineární, a vyplývá to z Hahnova – Banachova věta že ji lze rozšířit na metodu sčítání, která shrnuje libovolné řady s omezenými částečnými součty. Tomu se říká Banachův limit. Tato skutečnost není v praxi příliš užitečná, protože existuje mnoho takových rozšíření, nekonzistentní navzájem a také proto, že prokázání takových operátorů vyžaduje vyvolání axiom volby nebo jeho ekvivalenty, jako je Zornovo lemma. Jsou proto nekonstruktivní.
Předmět divergentní řady, jako doména matematická analýza, se zaměřuje především na explicitní a přirozené techniky, jako je Abelův součet, Cesàro součet a Borelův součet a jejich vztahy. Příchod Wienerova tauberiánská věta označil v předmětu epochu a představil neočekávané souvislosti s Banachova algebra metody v Fourierova analýza.
Souvisí také součet odlišných řad extrapolace metody a sekvenční transformace jako numerické techniky. Příklady takových technik jsou Apostati Padé, Sekvenční transformace typu Levin a mapování závislé na pořadí související s renormalizace techniky pro velkou objednávku teorie poruch v kvantová mechanika.
Vlastnosti sčítacích metod
Metody sumace se obvykle soustředí na posloupnost dílčích součtů řady. I když tato posloupnost nekonverguje, můžeme často zjistit, že když vezmeme průměrný většího a většího počtu počátečních členů posloupnosti se průměr sblíží a můžeme použít tento průměr namísto limitu k vyhodnocení součtu řady. A metoda sčítání lze chápat jako funkci ze sady posloupností dílčích součtů k hodnotám. Li A je jakákoli metoda sumace přiřazující hodnoty k sadě sekvencí, můžeme ji mechanicky přeložit na a metoda součtu řad AΣ který přiřazuje stejné hodnoty odpovídající řadě. Existují určité vlastnosti, které je žádoucí, aby tyto metody vlastnily, pokud mají dospět k hodnotám odpovídajícím limitům a součtům.
- Pravidelnost. Metoda sčítání je pravidelný pokud, kdykoli sekvence s konverguje k X, A(s) = X. Ekvivalentně se vyhodnotí odpovídající metoda součtu řad AΣ(A) = X.
- Linearita. A je lineární pokud je to lineární funkce na posloupnostech, kde je definována, tak A(k r + s) = k A(r) + A(s) pro sekvence r, s a skutečný nebo složitý skalární k. Protože podmínky An+1 = sn+1 − sn série A jsou lineární funkcionály sekvence s a naopak, toto je ekvivalentní s AΣ být lineární funkční z hlediska řady.
- Stabilita (také zvaný translativita). Li s je sekvence začínající od s0 a s′ Je posloupnost získaná vynecháním první hodnoty a odečtením od zbytku, takže s′n = sn+1 − s0, pak A(s) je definován právě tehdy A(s′) Je definován a A(s) = s0 + A(s′). Ekvivalentně, kdykoli A′n = An+1 pro všechny n, pak AΣ(A) = A0 + AΣ(A′).[1][2] Další způsob, jak to uvést, je, že pravidlo posunu musí být platné pro řady, které lze sumarizovat touto metodou.
Třetí podmínka je méně důležitá a některé významné metody, jako např Borelův součet, nevlastní to.[3]
Lze také poskytnout slabší alternativu k poslední podmínce.
- Konečná opětovná indexovatelnost. Li A a A′ Jsou dvě řady takové, že existuje a bijekce takhle Ai = A′F(i) pro všechny i, a pokud nějaké existují takhle Ai = A′i pro všechny i > N, pak AΣ(A) = AΣ(A′). (Jinými slovy, A′ Je stejná série jako A, s pouze definitivně mnoha výrazy přeindexovanými.) Všimněte si, že se jedná o slabší podmínku než stabilita, protože každá metoda součtu, která vykazuje stabilita také vystavuje konečná opětovná indexovatelnost, ale obrácení není pravda.
Žádoucí vlastnost pro dvě odlišné metody součtu A a B sdílet je konzistence: A a B jsou konzistentní pokud pro každou sekvenci s kterému oba přiřadí hodnotu, A(s) = B(s). Pokud jsou dvě metody konzistentní a jedna sčítá více sérií než druhá, jedna sčítá více sérií silnější.
Existují výkonné metody numerické sumace, které nejsou ani pravidelné, ani lineární, například nelineární sekvenční transformace jako Sekvenční transformace typu Levin a Apostati Padé, jakož i na pořadí závislé mapování poruchových sérií na základě renormalizace techniky.
Vezmeme-li pravidelnost, linearitu a stabilitu jako axiomy, je možné shrnout mnoho divergentních řad elementárními algebraickými manipulacemi. To částečně vysvětluje, proč mnoho různých metod sčítání poskytuje pro určité řady stejnou odpověď.
Například kdykoli r ≠ 1, the geometrické řady
lze vyhodnotit bez ohledu na konvergenci. Přesněji řečeno, jakákoli metoda součtu, která má tyto vlastnosti a která přiřadí konečnou hodnotu geometrické řadě, musí tuto hodnotu přiřadit. Kdy však r je reálné číslo větší než 1, dílčí součty se zvyšují bez vazby a průměrovací metody přiřadí limit nekonečna.
Klasické metody sčítání
Dvě klasické metody sčítání pro řady, obyčejná konvergence a absolutní konvergence, definují součet jako limit určitých dílčích součtů. Jsou zahrnuty pouze pro úplnost; striktně vzato, nejde o skutečné metody součtu pro divergentní řady, protože ze své podstaty je řada odlišná, pouze pokud tyto metody nefungují. Většina, ale ne všechny, metody sčítání pro divergentní řady rozšiřují tyto metody na větší třídu sekvencí.
Absolutní konvergence
Absolutní konvergence definuje součet posloupnosti (nebo množiny) čísel jako limit sítě všech částečných součtů Ak1 + ... + Akn, pokud existuje. Nezáleží na pořadí prvků posloupnosti a klasická věta říká, že posloupnost je absolutně konvergentní právě tehdy, když je posloupnost absolutních hodnot konvergentní ve standardním smyslu.
Součet série
Cauchyova klasická definice součtu řady A0 + A1 + ... definuje součet jako limit posloupnosti dílčích součtů A0 + ... + An. Toto je výchozí definice konvergence sekvence.
Nørlund znamená
Předpokládat pn je posloupnost kladných výrazů, počínaje od p0. Předpokládejme také to
Pokud nyní transformujeme posloupnost s pomocí p dát vážené prostředky, nastavení
pak limit tn tak jako n jde do nekonečna je průměr nazývaný Nørlund znamenat Np(s).
Nørlundův průměr je pravidelný, lineární a stabilní. Jakékoli dva Nørlundovy prostředky jsou navíc konzistentní.
Cesàro součet
Nejvýznamnějším prostředkem Nørlund jsou součty Cesàro. Tady, pokud definujeme sekvenci pk podle
pak součet Cesàro Ck je definováno Ck(s) = N(pk)(s). Cesàro částky jsou Nørlund, pokud k ≥ 0, a proto jsou pravidelné, lineární, stabilní a konzistentní. C0 je obyčejný součet a C1 je obyčejný Cesàro součet. Cesàro částky mají tu vlastnost, že pokud h > k, pak Ch je silnější než Ck.
Abelian znamená
Předpokládat λ = {λ0, λ1, λ2,...} je přísně rostoucí posloupnost směřující k nekonečnu, a to λ0 ≥ 0. Předpokládat
konverguje pro všechna reálná čísla X > 0. Pak Abelian průměr Aλ je definován jako
Obecněji, pokud série pro F konverguje pouze pro velké X ale lze analyticky pokračovat do všech pozitivních skutečných X, pak lze ještě definovat součet divergentní řady o limit výše.
Série tohoto typu je známá jako generalizovaná Dirichletova řada; v aplikacích na fyziku se tomu říká metoda regularizace tepelného jádra.
Abelian prostředky jsou pravidelné a lineární, ale ne stabilní a ne vždy konzistentní mezi různými možnostmi λ. Některé speciální případy jsou však velmi důležité metody sčítání.
Abelův součet
Li λn = n, pak získáme metodu Abelův součet. Tady
kde z = exp (-X). Pak limit F(X) tak jako X blíží 0 až pozitivní reality je limit výkonové řady pro F(z) tak jako z se blíží 1 zespodu prostřednictvím kladných reálů a Ábelovy sumy A(s) je definován jako
Abelův součet je částečně zajímavý, protože odpovídá, ale je silnější než Cesàro součet: A(s) = Ck(s) kdykoli je definován druhý. Ábelova suma je tedy pravidelná, lineární, stabilní a konzistentní s Cesàrovým součtem.
Lindelöfův součet
Li λn = n log (n), pak (indexování od jednoho) máme
Pak L(s), Lindelöf součet (Volkov 2001 ) , je limit F(X) tak jako X jde na kladnou nulu. Lindelöfův součet je výkonná metoda při aplikaci na výkonové řady mezi jinými aplikacemi, která shrnuje výkonové řady v Hvězda Mittag-Leffler.
Li G(z) je analytický na disku kolem nuly, a proto má a Řada Maclaurin G(z), tedy s kladným poloměrem konvergence L(G(z)) = G(z) ve hvězdě Mittag-Leffler. Kromě toho konvergence k G(z) je jednotný u kompaktních podmnožin hvězdy.
Analytické pokračování
Několik metod sčítání zahrnuje převzetí hodnoty analytického pokračování funkce.
Analytické pokračování výkonových řad
Pokud ΣAnXn konverguje pro malý komplex X a lze analyticky pokračovat po určité cestě z X = 0 do bodu X = 1, pak lze definovat součet řady jako hodnotu v X = 1. Tato hodnota může záviset na volbě cesty.
Eulerův součet
Eulerova sumace je v podstatě explicitní formou analytického pokračování. Pokud konverguje výkonová řada pro malý komplex z a lze analyticky pokračovat na otevřený disk s průměrem od −1/q + 1 na 1 a je spojitá v 1, pak se její hodnota v nazývá Euler nebo (E,q) součet série A0 + .... Euler to použil předtím, než bylo obecně definováno analytické pokračování, a dal explicitní vzorce pro výkonovou řadu analytického pokračování.
Operaci Eulerova součtu lze opakovat několikrát, což je v zásadě ekvivalentní převodu analytického pokračování výkonové řady do boduz = 1.
Analytické pokračování Dirichletovy řady
Tato metoda definuje součet řady jako hodnotu analytického pokračování Dirichletovy řady
na s = 0, pokud existuje a je jedinečný. Tato metoda je někdy zaměňována s regularizací funkce zeta.
Li s = 0 je izolovaná singularita, součet je definován konstantním členem expanze Laurentovy řady.
Regulace funkce Zeta
Pokud série
(pro kladné hodnoty An) konverguje pro velké reálné s a může být analyticky pokračovalo podél skutečné linie do s = -1, pak jeho hodnota na s = -1 se nazývá zeta legalizována součet série A1 + A2 + ... regularizace funkce Zeta je nelineární. V aplikacích čísla Ai jsou někdy vlastní čísla samostatného operátoru A s kompaktním rozpouštědlem a F(s) je potom stopa A−s. Například pokud A má vlastní čísla 1, 2, 3, ... pak F(s) je Funkce Riemann zeta, ζ(s), jehož hodnota na s = -1 je -1/12, přiřazení hodnoty divergentní řadě 1 + 2 + 3 + 4 + .... Další hodnoty s lze také použít k přiřazení hodnot pro odlišné částky ζ(0) = 1 + 1 + 1 + ... = −1/2, ζ(−2) = 1 + 4 + 9 + ... = 0 a obecně
kde Bk je Bernoulliho číslo.[4]
Integrální funkce znamená
Li J(X) = ΣpnXn je integrální funkce, pak J součet série A0 + ... je definován jako
pokud tento limit existuje.
Existuje variace této metody, kde série pro J má konečný poloměr konvergence r a rozcházejí se X = r. V tomto případě definujeme součet výše, s výjimkou limitu jako X má sklony k r spíše než nekonečno.
Borelův součet
Ve zvláštním případě, když J(X) = EX to dává jednu (slabou) formu Borelův součet.
Valironova metoda
Valironova metoda je zevšeobecněním Borelovy sumace na určité obecnější integrální funkce J. Valiron ukázal, že za určitých podmínek je to ekvivalentní definování součtu řady jako
kde H je druhý derivát G a C(n) = E−G(n), a A0 + ... + Ah má být interpretováno jako 0, kdyžh < 0.
Momentové metody
Předpokládejme to dμ je míra na skutečné linii taková, že všechny okamžiky
jsou konečné. Li A0 + A1 + ... je série taková
konverguje pro všechny X na podporu μ, pak (dμ) součet řady je definován jako hodnota integrálu
pokud je definován. (Všimněte si, že pokud jsou čísla μn rostou příliš rychle, pak míru jednoznačně neurčují μ.)
Borelův součet
Například pokud dμ = E−X dx pro pozitivní X a 0 pro zápor X pak μn = n!, a to dává jednu verzi Borelův součet, kde je hodnota součtu dána vztahem
Existuje zobecnění v závislosti na proměnné α, nazývané (B ',α) součet, kde je součet řady A0 + ... je definován jako
pokud tento integrál existuje. Další zobecnění má nahradit součet pod integrálem jeho analytickým pokračováním z maléhot.
Různé metody
Hausdorffovy transformace
Hardy (1949, kapitola 11).
Hölderův součet
Huttonova metoda
V roce 1812 Hutton představil metodu sčítání divergentní řady počínaje posloupností částečných součtů a opakovaným použitím operace nahrazení posloupnostis0, s1, ... podle sekvence průměrů s0 + s1/2, s1 + s2/2, ..., a poté převzetí limitu (Hardy 1949, str. 21).
Sčítatelnost Ingham
Série A1 + ... se nazývá Ingham summable to s -li
Albert Ingham ukázal, že pokud δ je libovolné kladné číslo pak (C, -δ) (Cesàro) summability implikuje Ingham summability a Ingham summability implies (C,δ) shrnutelnost Hardy (1949, Dodatek II).
Lambertova shrnutelnost
Série A1 + ... je volán Lambert sumarizovatelný na s -li
Pokud je série (C,k) (Cesàro) lze shrnout pro všechny k pak je Lambert summable na stejnou hodnotu, a pokud je řada Lambert summable pak je Abel summable na stejnou hodnotu Hardy (1949, Dodatek II).
Shrnutí Le Roy
Série A0 + ... se nazývá Le Roy, který lze shrnout s -li
Hardy (1949, 4.11)
Součet Mittag-Leffler
Série A0 + ... se nazývá Mittag-Leffler (M) součet s -li
Hardy (1949, 4.11)
Shrnutí Ramanujan
Ramanujanův součet je metoda přiřazení hodnoty divergentní řadě používaná Ramanujanem a založená na Souhrnný vzorec Euler – Maclaurin. Ramanujan součet série F(0) + F(1) + ... záleží nejen na hodnotách F na celá čísla, ale také na hodnoty funkce F v neintegrálních bodech, takže nejde o metodu součtu ve smyslu tohoto článku.
Riemannova summability
Série A1 + ... je voláno (R,k) (nebo Riemann) lze shrnout do s -li
Hardy (1949, 4.17) Série A1 + ... se nazývá R.2 lze shrnout do s -li
Riesz znamená
Li λn tvoří rostoucí posloupnost reálných čísel a
pak Riesz (R,λ,κ) součet série A0 + ... je definován jako
Sumarizace Vallée-Poussin
Série A1 + ... se nazývá VP (nebo Vallée-Poussin) sčítatelný do s -li
kde je funkce gama.Hardy (1949, 4.17).
Viz také
Poznámky
- ^ "Metody sumace". Michon's Numericana.
- ^ „Translativity“. Encyklopedie matematiky. Springer.
- ^ Muraev, E. B. (1978), „Borelův součet n- více řad a celé funkce s nimi spojené ", Akademiya Nauk SSSR, 19 (6): 1332–1340, 1438, PAN 0515185. Muraev podotýká, že Borelův součet je translativní v jednom ze dvou směrů: zvětšení řady o nulu umístěnou na jejím začátku nezmění sčítatelnost ani hodnotu řady. Tvrdí však, že „obrácení je nepravdivé“.
- ^ Tao, Terence (10. dubna 2010). „Euler-Maclaurinův vzorec, Bernoulliho čísla, funkce zeta a analytické pokračování skutečné proměnné“.
Reference
- Arteca, GA; Fernández, F.M .; Castro, E.A. (1990), Teorie poruch velkého řádu a metody sumace v kvantové mechanice, Berlín: Springer-Verlag.
- Baker, Jr., G. A .; Graves-Morris, P. (1996), Pádé přibližné, Cambridge University Press.
- Brezinski, C .; Zaglia, M. Redivo (1991), Extrapolační metody. Teorie a praxe, Severní Holandsko.
- Hardy, G. H. (1949), Divergentní série, Oxford: Clarendon Press.
- LeGuillou, J.-C .; Zinn-Justin, J. (1990), Chování poruchy řádu ve velkém řádu, Amsterdam: Severní Holandsko.
- Volkov, I.I. (2001) [1994], „Lindelöfova metoda sčítání“, Encyclopedia of Mathematics, Stiskněte EMS.
- Zakharov, A.A. (2001) [1994], „Abelova metoda sčítání“, Encyclopedia of Mathematics, Stiskněte EMS.
- "Rieszova metoda sčítání", Encyclopedia of Mathematics, Stiskněte EMS, 2001 [1994]