타우버 정리
Abel 합 1 2 \frac{1}{2} 2 1 을 갖는 그란디 급수는 발산합니다 — ∣ n a n ∣ = n |n\,a_n| = n ∣ n a n ∣ = n 이라 가설 a n = o ( 1 / n ) a_n = o(1/n) a n = o ( 1/ n ) 이 깨지기 때문입니다. d n = ( − 1 ) n ( n + 1 ) ln ( n + 2 ) d_n = \frac{(-1)^n}{(n+1)\ln(n+2)} d n = ( n + 1 ) l n ( n + 2 ) ( − 1 ) n 은 가설을 만족하고, 그 Abel 합 곡선은 보통 합에 닿습니다 — 타우버 정리.
A ( r ) = ∑ a n r n → r → 1 − L , a n = o ( 1 / n ) ⇒ ∑ a n = L A(r) = \sum a_n r^n \xrightarrow[r\to 1^{-}]{} L,\ a_n = o(1/n)\ \Rightarrow\ \sum a_n = L A ( r ) = ∑ a n r n r → 1 − L , a n = o ( 1/ n ) ⇒ ∑ a n = L
∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n r n = 1 1 + r → r → 1 − 1 2 \sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n r^n = \frac{1}{1+r} \xrightarrow[r\to 1^{-}]{} \frac{1}{2} n = 0 ∑ ∞ ( − 1 ) n r n = 1 + r 1 r → 1 − 2 1
예제
타우버 정리를 완전히 증명하세요: ∑ a n \sum a_n ∑ a n 이 L L L 에 Abel 총합가능하고 a n = o ( 1 / n ) a_n = o(1/n) a n = o ( 1/ n ) 이면 ∑ a n \sum a_n ∑ a n 이 L L L 로 수렴합니다.
A ( r ) = ∑ n ≥ 0 a n r n → r → 1 − L , n a n → 0 ⇒ s N = ∑ n ≤ N a n → L A(r) = \sum_{n \ge 0} a_n r^n \xrightarrow[r \to 1^{-}]{} L, \quad n\,a_n \to 0 \ \Rightarrow\ s_N = \sum_{n \le N} a_n \to L A ( r ) = n ≥ 0 ∑ a n r n r → 1 − L , n a n → 0 ⇒ s N = n ≤ N ∑ a n → L
r = 0.9 r = 0.9 r = 0.9 에서 그란디의 A G = 1 / 1.9 ≈ 0.5263 A_G = 1/1.9 \approx 0.5263 A G = 1/1.9 ≈ 0.5263 은 1 2 \frac{1}{2} 2 1 을 향해 가지만, ∣ n a n ∣ = n |n\,a_n| = n ∣ n a n ∣ = n 이므로 아래 증명의 가설이 깨져 결론도 깨집니다.
증명 보기
L = 0 L = 0 L = 0 으로 환원합니다: a 0 a_0 a 0 을 a 0 − L a_0 - L a 0 − L 로 바꾸면 부분합은 s n − L s_n - L s n − L 이 되고 (목표는 0 0 0 ), Abel 합은 A ( r ) − L → 0 A(r) - L \to 0 A ( r ) − L → 0 이 되며, n ≥ 1 n \ge 1 n ≥ 1 에 대한 n a n → 0 n\,a_n \to 0 n a n → 0 은 그대로입니다. 이제 A ( r ) → 0 A(r) \to 0 A ( r ) → 0 이라 가정합니다.
부분합 s n = a 0 + ⋯ + a n s_n = a_0 + \cdots + a_n s n = a 0 + ⋯ + a n (s − 1 = 0 s_{-1} = 0 s − 1 = 0 )에 대한 Abel 부분합 공식: 0 ≤ r < 1 0 \le r < 1 0 ≤ r < 1 에서 A ( r ) = ( 1 − r ) ∑ n ≥ 0 s n r n A(r) = (1-r)\sum_{n \ge 0} s_n r^n A ( r ) = ( 1 − r ) ∑ n ≥ 0 s n r n 입니다. (a n = s n − s n − 1 a_n = s_n - s_{n-1} a n = s n − s n − 1 을 대입하면 ∑ ( s n − s n − 1 ) r n = ( 1 − r ) ∑ s n r n \sum (s_n - s_{n-1}) r^n = (1-r)\sum s_n r^n ∑ ( s n − s n − 1 ) r n = ( 1 − r ) ∑ s n r n — ∣ r ∣ < 1 |r| < 1 ∣ r ∣ < 1 에서 재배열이 정당합니다.)
ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 이 주어지면 n ≥ M n \ge M n ≥ M 에서 ∣ n a n ∣ ≤ ε |n\,a_n| \le \varepsilon ∣ n a n ∣ ≤ ε 인 M M M 을 잡습니다 (n a n → 0 n\,a_n \to 0 n a n → 0 ). n , N ≥ M n, N \ge M n , N ≥ M 에 대해 ∣ s N − s n ∣ = ∣ ∑ a k ∣ ≤ ε ∑ 1 k ≤ ε ∣ ln ( n / N ) ∣ |s_N - s_n| = |\sum a_k| \le \varepsilon\sum \frac{1}{k} \le \varepsilon\,|\ln(n/N)| ∣ s N − s n ∣ = ∣ ∑ a k ∣ ≤ ε ∑ k 1 ≤ ε ∣ ln ( n / N ) ∣ 입니다 (1 k ≤ ∫ k − 1 k d x x \frac{1}{k} \le \int_{k-1}^{k}\frac{dx}{x} k 1 ≤ ∫ k − 1 k x d x 이용).
( 1 − r ) ∑ r n = 1 (1-r)\sum r^n = 1 ( 1 − r ) ∑ r n = 1 이므로 s N − A ( r ) = ( 1 − r ) ∑ n ≥ 0 ( s N − s n ) r n s_N - A(r) = (1-r)\sum_{n \ge 0}(s_N - s_n)\,r^n s N − A ( r ) = ( 1 − r ) ∑ n ≥ 0 ( s N − s n ) r n 입니다. r = r N = 1 − 1 N r = r_N = 1 - \frac{1}{N} r = r N = 1 − N 1 로 두고 합을 n < M n < M n < M 과 n ≥ M n \ge M n ≥ M 으로 나눕니다. n < M n < M n < M 부분: ∣ s N ∣ ≤ ∣ s M ∣ + ε ln ( N / M ) |s_N| \le |s_M| + \varepsilon\ln(N/M) ∣ s N ∣ ≤ ∣ s M ∣ + ε ln ( N / M ) 이므로 기여도는 1 N M ( ∣ s N ∣ + max n < M ∣ s n ∣ ) → 0 \frac{1}{N}\,M\,(|s_N| + \max_{n<M}|s_n|) \to 0 N 1 M ( ∣ s N ∣ + max n < M ∣ s n ∣ ) → 0 (N → ∞ N \to \infty N → ∞ ).
n ≥ M n \ge M n ≥ M 부분은 ε ( 1 − 1 N ) ∑ n ≥ M ∣ ln ( n / N ) ∣ ( 1 − 1 N ) n \varepsilon\left(1-\frac{1}{N}\right)\sum_{n \ge M}|\ln(n/N)|\left(1-\frac{1}{N}\right)^n ε ( 1 − N 1 ) ∑ n ≥ M ∣ ln ( n / N ) ∣ ( 1 − N 1 ) n 이하입니다. u = n / N u = n/N u = n / N 으로 치환하면 이는 ∫ 0 ∞ ∣ ln u ∣ e − u d u \int_0^{\infty} |\ln u|\,e^{-u}\,du ∫ 0 ∞ ∣ ln u ∣ e − u d u 의 리만합이므로 (피적분함수는 적분가능), N → ∞ N \to \infty N → ∞ 에서 ε C 0 \varepsilon\,C_0 ε C 0 (유한 상수)로 수렴합니다.( 1 − 1 N ) ∑ n ≥ M ∣ ln n N ∣ ( 1 − 1 N ) n ⟶ ∫ 0 ∞ ∣ ln u ∣ e − u d u < ∞ \left(1-\frac{1}{N}\right)\sum_{n \ge M} \left\lvert\ln\frac{n}{N}\right\rvert \left(1-\frac{1}{N}\right)^n \longrightarrow \int_0^{\infty} \lvert\ln u\rvert\,e^{-u}\,du < \infty ( 1 − N 1 ) n ≥ M ∑ ln N n ( 1 − N 1 ) n ⟶ ∫ 0 ∞ ∣ ln u ∣ e − u d u < ∞
r N → 1 r_N \to 1 r N → 1 이고 Abel 합이 0 0 0 이므로 ∣ A ( r N ) ∣ → 0 |A(r_N)| \to 0 ∣ A ( r N ) ∣ → 0 입니다. 따라서 lim sup N → ∞ ∣ s N ∣ ≤ C 0 ε \limsup_{N \to \infty} |s_N| \le C_0\,\varepsilon lim sup N → ∞ ∣ s N ∣ ≤ C 0 ε 이고, ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 이 임의이므로 s N → 0 s_N \to 0 s N → 0 — 즉 ∑ a n = L \sum a_n = L ∑ a n = L 이 수렴합니다. 가설 n a n → 0 n\,a_n \to 0 n a n → 0 이 r N r_N r N 가중치가 N N N 근처에 집중될 때 s n ≈ s N s_n \approx s_N s n ≈ s N 임을 보장한 것이 증명의 핵심입니다.
그란디 급수 1 − 1 + 1 − ⋯ 1 - 1 + 1 - \cdots 1 − 1 + 1 − ⋯ 에 대해 A ( r ) = 1 1 + r → 1 2 A(r) = \frac{1}{1+r} \to \frac{1}{2} A ( r ) = 1 + r 1 → 2 1 를 계산하고, 부분합이 진동하며 발산함과 n a n ↛ 0 n\,a_n \not\to 0 n a n → 0 임을 보이세요 — 그래서 타우버 정리의 가설과 결론이 모두 깨집니다.
A ( r ) = ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n r n = 1 1 + r → r → 1 − 1 2 A(r) = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n r^n = \frac{1}{1+r} \xrightarrow[r \to 1^{-}]{} \frac{1}{2} A ( r ) = n = 0 ∑ ∞ ( − 1 ) n r n = 1 + r 1 r → 1 − 2 1
S N = { 1 N e v e n 0 N o d d , ∣ N a N ∣ = N ↛ 0 S_N = \begin{cases} 1 & N\ \mathrm{even} \\ 0 & N\ \mathrm{odd} \end{cases}, \qquad \lvert N\,a_N\rvert = N \not\to 0 S N = { 1 0 N even N odd , ∣ N a N ∣ = N → 0
r = 0.9 r = 0.9 r = 0.9 : A G = 1 / 1.9 ≈ 0.5263 A_G = 1/1.9 \approx 0.5263 A G = 1/1.9 ≈ 0.5263 로 1 2 \frac{1}{2} 2 1 에 다가가지만, 부분합은 여전히 1 , 0 , 1 , 0 … 1, 0, 1, 0\ldots 1 , 0 , 1 , 0 … 입니다.
증명 보기
∣ r ∣ < 1 |r| < 1 ∣ r ∣ < 1 에서 ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n r n = ∑ n = 0 ∞ ( − r ) n = 1 1 − ( − r ) = 1 1 + r \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n r^n = \sum_{n=0}^{\infty} (-r)^n = \frac{1}{1-(-r)} = \frac{1}{1+r} ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n r n = ∑ n = 0 ∞ ( − r ) n = 1 − ( − r ) 1 = 1 + r 1 입니다 (등비급수). r → 1 − r \to 1^{-} r → 1 − 에서 A ( r ) = 1 1 + r → 1 2 A(r) = \frac{1}{1+r} \to \frac{1}{2} A ( r ) = 1 + r 1 → 2 1 — 그란디 급수는 1 2 \frac{1}{2} 2 1 에 Abel 총합가능합니다.
부분합: S N = 1 − 1 + ⋯ ± 1 S_N = 1 - 1 + \cdots \pm 1 S N = 1 − 1 + ⋯ ± 1 에서 N N N 이 짝수이면 항이 N + 1 N+1 N + 1 개(홀수 개)이므로 S N = 1 S_N = 1 S N = 1 , N N N 이 홀수이면 S N = 0 S_N = 0 S N = 0 입니다. 두 값만 영원히 오가므로 극한이 없고, 급수는 발산합니다 — 1 2 \frac{1}{2} 2 1 는 결코 이 급수의 "합"이 아닙니다.
a n = ( − 1 ) n a_n = (-1)^n a n = ( − 1 ) n 이므로 n a n = n ( − 1 ) n n\,a_n = n\,(-1)^n n a n = n ( − 1 ) n , 즉 ∣ n a n ∣ = n → ∞ |n\,a_n| = n \to \infty ∣ n a n ∣ = n → ∞ 입니다. 타우버 가설 a n = o ( 1 / n ) a_n = o(1/n) a n = o ( 1/ n ) 이 깨지므로, 정리가 결론(수렴)을 보장하지 않아도 모순이 없습니다 — 실제로 결론도 깨집니다 (발산). 가설 없이는 Abel 합이 수렴을 강제하지 못합니다.
d n = ( − 1 ) n ( n + 1 ) ln ( n + 2 ) d_n = \frac{(-1)^n}{(n+1)\ln(n+2)} d n = ( n + 1 ) l n ( n + 2 ) ( − 1 ) n 에 대해 n d n → 0 n\,d_n \to 0 n d n → 0 을 증명하고 (한 줄), ∑ d n \sum d_n ∑ d n 이 수렴함을 증명하세요 (교대급수 판정법). 그런 뒤 타우버 정리를 적용해 그 Abel 합이 보통 합과 같음을 결론지으세요.
∣ n d n ∣ = n ( n + 1 ) ln ( n + 2 ) → 0 \lvert n\,d_n\rvert = \frac{n}{(n+1)\ln(n+2)} \to 0 ∣ n d n ∣ = ( n + 1 ) ln ( n + 2 ) n → 0
S D ≈ 1.13645 , A D ( 0.999 ) ≈ 1.13666 S_D \approx 1.13645, \qquad A_D(0.999) \approx 1.13666 S D ≈ 1.13645 , A D ( 0.999 ) ≈ 1.13666
∣ A D ( 0.999 ) − S D ∣ ≈ 2.3 × 10 − 4 \lvert A_D(0.999) - S_D \rvert \approx 2.3\times 10^{-4} ∣ A D ( 0.999 ) − S D ∣ ≈ 2.3 × 1 0 − 4
r = 0.9 r = 0.9 r = 0.9 : A D ( 0.9 ) ≈ 1.1583 A_D(0.9) \approx 1.1583 A D ( 0.9 ) ≈ 1.1583 이 보통 합 S D ≈ 1.13645 S_D \approx 1.13645 S D ≈ 1.13645 를 향해 가고, r = 0.999 r = 0.999 r = 0.999 에서는 ≈ 1.13666 \approx 1.13666 ≈ 1.13666 으로 거의 일치합니다 — 가설이 성립하니 Abel 합이 진짜 합과 일치합니다.
증명 보기
∣ n d n ∣ = n ( n + 1 ) ln ( n + 2 ) = 1 1 + 1 / n ⋅ 1 ln ( n + 2 ) → 1 ⋅ 0 = 0 |n\,d_n| = \frac{n}{(n+1)\ln(n+2)} = \frac{1}{1 + 1/n}\cdot\frac{1}{\ln(n+2)} \to 1\cdot 0 = 0 ∣ n d n ∣ = ( n + 1 ) l n ( n + 2 ) n = 1 + 1/ n 1 ⋅ l n ( n + 2 ) 1 → 1 ⋅ 0 = 0 입니다 — 한 줄로 d n = o ( 1 / n ) d_n = o(1/n) d n = o ( 1/ n ) 이 성립합니다.
∣ d n ∣ = 1 ( n + 1 ) ln ( n + 2 ) |d_n| = \frac{1}{(n+1)\ln(n+2)} ∣ d n ∣ = ( n + 1 ) l n ( n + 2 ) 1 는 분모가 n n n 에 대해 단조증가하므로 0 0 0 으로 단조감소합니다. 교대급수 판정법(Leibniz)에 의해 ∑ d n \sum d_n ∑ d n 은 (조건)수렴합니다 — 수치적으로 S D ≈ 1.13645 S_D \approx 1.13645 S D ≈ 1.13645 (20000항), ∣ S 4000 − S 2000 ∣ ≈ 1.8 × 10 − 5 |S_{4000} - S_{2000}| \approx 1.8\times 10^{-5} ∣ S 4000 − S 2000 ∣ ≈ 1.8 × 1 0 − 5 .
∑ d n \sum d_n ∑ d n 이 Abel 총합가능함은 등비급수 majorant로 자명하고 (∣ d n ∣ r n |d_n|\,r^n ∣ d n ∣ r n 의 합), 타우버 정리(첫 번째 문제)에 의해 그 Abel 합은 보통 합 S D S_D S D 와 같습니다. 수치 확인: A D ( 0.999 ) ≈ 1.13666 A_D(0.999) \approx 1.13666 A D ( 0.999 ) ≈ 1.13666 으로 S 4000 ≈ 1.13643 S_{4000} \approx 1.13643 S 4000 ≈ 1.13643 과 ≈ 2.3 × 10 − 4 \approx 2.3\times 10^{-4} ≈ 2.3 × 1 0 − 4 차이 — 정리가 약속한 일치가 그림에 그대로 나타납니다.
7. 거듭제곱급수