如何证明转化得到的多重级数的收敛性
嘿,先给你一个明确的结论:你转化得到的多重级数其实是发散的,而且原级数$\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{\lfloor \sqrt{n}\rfloor}}{\sqrt{n}}$本身也是发散的。下面我一步步给你理清楚:
首先,你的转化过程在代数运算上是正确的,最终得到的关系式可以修正笔误后写成:
$$\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{\lfloor \sqrt{n}\rfloor}}{\sqrt{n}}=-2\sum_{k=2}^\infty (-1)^k \sum_{m=1}{k2-1} \frac{1}{\sqrt{m}}$$
接下来我们用级数收敛的必要条件来判断:任何收敛的级数,其通项必须趋于0。我们看转化后级数的通项:
$$a_k = -2(-1)^k \sum_{m=1}{k2-1} \frac{1}{\sqrt{m}}$$
我们可以用积分近似来估计内层求和的大小:对于正项级数$\sum_{m=1}^N \frac{1}{\sqrt{m}}$,它的渐近行为是
$$\sum_{m=1}^N \frac{1}{\sqrt{m}} \sim 2\sqrt{N} + C$$
其中$C$是一个和欧拉常数相关的固定常数。当$N=k^2-1$时,$\sqrt{N} \approx k$,所以
$$\sum_{m=1}{k2-1} \frac{1}{\sqrt{m}} \sim 2k$$
代入通项$a_k$后,能得到$|a_k| \sim 4k$——当$k\to\infty$时,$|a_k|$会趋于无穷大,完全不满足“通项趋于0”这个收敛必要条件,因此转化后的多重级数必然是发散的。
再回到原级数,它的部分和会持续在正负值之间振荡,且振幅不会缩小:每一组同符号的项(对应$\lfloor \sqrt{n}\rfloor=m$的所有n)的和大约是$(-1)^m \times 2$,随着m增大,这个和的绝对值始终接近2,不会趋近于0。这就导致原级数的部分和无法收敛到某个固定极限,因此原级数本身也是发散的。
备注:内容来源于stack exchange,提问作者George Euler




