关于正参数α下无穷乘积极限为0的证明合理性问询
首先得指出你推导里的两个关键问题:
- 你误以为$\lim_{n\to \infty}\left(1-\frac{\alpha}{n}\right)^n = 0$,但实际上这个极限是$e{-\alpha}$(这是经典极限公式$\lim_{n\to\infty}(1+\frac{x}{n})n = e^x$的直接推论,令$x=-\alpha$即可),是一个正数,所以你用这个不等式没法直接推出左边的极限为0。
- 你说“the LHS limit is positive as well”并不准确:当$k \leq \alpha$时,$1-\frac{\alpha}{k}$是负数(因为$\alpha>0$,$k\leq\alpha$意味着$\frac{\alpha}{k}\geq1$),所以乘积的符号会随$n$变化;如果$\alpha$是整数,当$n\geq\alpha$时乘积里会出现$1-\frac{\alpha}{\alpha}=0$,直接让乘积为0。不过不管符号如何,我们只需要证明乘积的绝对值趋近于0,就能得到原极限为0。
下面给你两种严谨的证明思路:
思路1:对数转化为级数
当$n > \alpha$时,所有$1-\frac{\alpha}{k}$非零,我们对乘积取绝对值后取对数:
$$
\ln\left|\prod_{k=1}^n\left(1-\frac{\alpha}{k}\right)\right| = \sum_{k=1}^n \ln\left|1-\frac{\alpha}{k}\right|
$$
对于$k > \alpha$,$\ln\left(1-\frac{\alpha}{k}\right) = -\frac{\alpha}{k} - \frac{\alpha2}{2k2} - \frac{\alpha3}{3k3} - \dots < -\frac{\alpha}{k}$。而调和级数$\sum_{k=1}^\infty \frac{1}{k}$是发散到$+\infty$的,因此$\sum_{k=1}^n \ln\left|1-\frac{\alpha}{k}\right|$会发散到$-\infty$,进而$\left|\prod_{k=1}^n\left(1-\frac{\alpha}{k}\right)\right| = e^{\sum \ln|1-\alpha/k|}$趋近于0,原乘积的极限自然为0。
思路2:指数不等式估计绝对值
我们有经典不等式$1 - x \leq e{-x}$对所有$x$成立(可以通过泰勒展开或求导验证:令$f(x)=e{-x}-(1-x)$,$f'(x)=-e^{-x}+1$,当$x>0$时$f'(x)>0$,且$f(0)=0$,故$f(x)\geq0$)。
设$m = \lfloor\alpha\rfloor$(不超过$\alpha$的最大整数),前$m$个因子的绝对值乘积是一个常数$C = \left|\prod_{k=1}^m\left(1-\frac{\alpha}{k}\right)\right|$。当$n > m$时:
$$
\left|\prod_{k=1}^n\left(1-\frac{\alpha}{k}\right)\right| = C \cdot \prod_{k=m+1}^n \left(1-\frac{\alpha}{k}\right) ≤ C \cdot \prod_{k=m+1}^n e^{-\alpha/k} = C \cdot e^{-\alpha \sum_{k=m+1}^n \frac{1}{k}}
$$
由于$\sum_{k=m+1}^n \frac{1}{k}$当$n\to\infty$时发散到$+\infty$,指数部分会趋近于$-\infty$,因此整个表达式趋近于0,原乘积的极限为0。
总结来说,你的初始推导因为极限值误判而不成立,但通过对数转级数或指数不等式的方法,都能严格证明这个无穷乘积的极限是0。
备注:内容来源于stack exchange,提问作者lzrus




