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定义Definition

级数绝对收敛

施工中 · 内容逐步修订

Absolute convergence of series

若各项绝对值组成的级数收敛,则原级数绝对收敛并必收敛。

形式陈述 ​

设 ∑n=1∞an 是实数或复数级数。称它绝对收敛,若各项绝对值构成的级数收敛:

∑n=1∞|an|<∞.

绝对收敛蕴含收敛:由三角不等式,任意一段和满足

|∑k=mnak|≤∑k=mn|ak|,

右端随 m,n→∞ 趋于零,故原级数的部分和构成 Cauchy 列,对实数部分和,由实数完备性得到极限;对复数部分和,分别对实部与虚部使用同一结论,便得到复数极限。收敛但不绝对收敛的级数称为条件收敛。

直觉

把实级数看成数轴上向左、向右的一连串位移,∑|an| 就是总路程。绝对收敛要求总路程有限,因此后面所有尚未走出的步子,其总长度都能被压到任意小。无论怎样排列这些步子,尾部都受同一个量控制。条件收敛则允许总路程无限,只要求按原定次序累积的净位移趋于一个极限;正负抵消的次序于是参与决定结果。

例子与边界

几何级数 ∑n=0∞(−1/2)n 绝对收敛:绝对值级数 ∑n=0∞(1/2)n=2 有限,而原级数的和为 11−(−1/2)=2/3。相比之下,交错调和级数 ∑n=1∞(−1)n+1/n 由 Leibniz 判别法收敛(和为 ln⁡2),但其绝对值级数是发散的调和级数,故它只是条件收敛。

Riemann 重排定理把这种区别说得更精确:条件收敛的实级数经适当重排,可以收敛到任意指定的实数,也可以发散;绝对收敛级数的每个重排则收敛到同一个和。后者的理由仍是尾部控制:先选出有限多个重要项,等重排后的部分和收齐它们,其余项造成的误差至多为剩余绝对值之和。

在赋范空间中把绝对值换成范数,便得到 ∑n‖xn‖<∞。三角不等式仍保证部分和是 Cauchy 列;空间完备时,极限也在其中。事实上,赋范空间是Banach 空间,当且仅当其中每个这样的级数都收敛。不完备空间中的部分和则可能收敛到完备化里的新元素,离开原空间。

复数方向不断旋转时,绝对收敛仍只看步长。对固定 θ,

∑n=1∞einθn2

绝对收敛,因为每项模长为 1/n2;因此可以任意重排、按实部虚部分组,和都不变。若 θ∉2πZ,级数

∑n=1∞einθn

由 Dirichlet 判别法收敛,但模长级数是调和级数,故只条件收敛。这里的收敛依赖方向相消,不能据此交换任意求和次序。

推论与应用

绝对收敛使任意重排及保持全部项的分组都不改变级数和。乘积也有相应结论:两个实或复级数中,若至少一个绝对收敛、另一个收敛,则它们的 Cauchy 乘积收敛到两和之积。

有限精度下,求和次序还会影响舍入误差。浮点求和通过成对、补偿等方法减少累积误差;数值求积规则把积分近似为有限加权和,还要估计离散化造成的误差。这些误差衡量计算结果与精确值的差别。

对函数项级数,Weierstrass M 判别法用可求和的统一上界控制所有点的尾部,从而得到一致收敛。幂级数在收敛圆盘内部绝对收敛,并在更小的闭圆盘上一致收敛,这种局部统一控制支持逐项积分与求导。

在概率与测度论中,若 ∑nE|Xn|<∞,对概率测度与自然数计数测度使用Tonelli 定理,先得 E∑n|Xn|<∞,故绝对值级数几乎必然有限。此时再由Fubini 定理交换求和与期望,得到 E∑nXn=∑nEXn。二重级数的绝对可求和性同样保证换序,是Fubini 定理的离散情形。

参考资料
  • Stephen Abbott, Understanding Analysis, 2nd ed., Springer, 2015,§2.7, absolute convergence and rearrangements。
  • Walter Rudin, Principles of Mathematical Analysis, 3rd ed., McGraw-Hill, 1976,Ch. 3, series, Cauchy criterion, and absolute convergence。
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