微積分隨筆:數列與級數(莊重)

發表於 2023-02-21 00:00 1063 字 6 min read
隨手做的,可能沒有很完整,有看到有趣的題目或是重要的定理或是我想記錄才會放上來。 Sequences Limit of a Sequence \lim{n \to \infty} an = L \iff \forall \epsilon > 0, \exists N \ s.t.\ \forall n > N, |a_n - L| < \epsilon \lim{n \to \infty} an...

隨手做的,可能沒有很完整,有看到有趣的題目或是重要的定理或是我想記錄才會放上來。

Sequences

Limit of a Sequence

lim⁡n→∞an=L  ⟺  ∀ϵ>0,∃N s.t. ∀n>N,∣an−L∣<ϵ\lim_{n \to \infty} a_n = L \iff \forall \epsilon > 0, \exists N \ s.t.\ \forall n > N, |a_n - L| < \epsilon lim⁡n→∞an=∞  ⟺  ∀M>0,∃N s.t. ∀n>N,an>M\lim_{n \to \infty} a_n = \infty \iff \forall M > 0, \exists N \ s.t.\ \forall n > N, a_n > M

Discrete v.s. Continuous

lim⁡x→∞f(x)=L,f(n)=an ∀n∈Z+  ⟹  lim⁡n→∞an=L\lim_{x \to \infty} f(x) = L, f(n) = a_n \ \forall n \in \mathbb{Z}^+ \implies \lim_{n \to \infty} a_n = L

Limit + Continuous Function

If lim⁡n→∞an=L\lim_{n \to \infty} a_n = L and ff is continuous at LL, then lim⁡n→∞f(an)=f(lim⁡n→∞an)=f(L)\lim_{n \to \infty} f(a_n) = f(\lim_{n \to \infty} a_n) = f(L)

Monotonic / Bounded

  • Increasing: an<an+1a_n < a_{n+1}
  • Decreasing: an>an+1a_n > a_{n+1}
  • Monotonic: Either Increasing or Decreasing
  • Bounded Above (上面有東西擋住): ∃M s.t. an≤M (∀n)\exists M \ s.t.\ a_n \leq M \ (\forall n)
  • Bounded Below (下面有東西擋住): ∃m s.t. m≤an (∀n)\exists m \ s.t.\ m \leq a_n \ (\forall n)
  • Bounded Sequence: bounded above and below at the same time

Monotonic Sequence Theorem

Increasing and Bounded Above   ⟹  \implies convergent
Decreasing and Bounded Below   ⟹  \implies convergent

證明:由 LUB 公理得出存在最小上界 LL,再利用柯西極限的定義證明。

Monotonic Sequence Theorem 很常出現在後續章節的定理證明,包括 Intergral Test、Comparison Test、Alternating Series Test (Even Partial Sum 收斂的證明)。


Series

Convergence Tests for Series

(1) ana_n 一定要收斂到 0

∑n=1∞an is convergent  ⟹  lim⁡n→∞an=0\sum_{n=1}^\infty a_n \text{ is convergent} \implies \lim_{n \to \infty} a_n = 0 lim⁡n→∞an≠0  ⟹  ∑n=1∞an is divergent\lim_{n \to \infty} a_n \neq 0 \implies \sum_{n=1}^\infty a_n \text{ is divergent}

lim⁡n→∞an=0⇏∑n=1∞an is convergent (Counter Example: ∑n=1∞1n)\displaystyle \lim_{n \to \infty} a_n = 0 \nRightarrow \sum_{n=1}^\infty a_n \text{ is convergent (Counter Example: } \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n})

(2) 最單純的級數: p 級數、幾何級數

∑n=1∞1np(ln⁡n)q is convergent if p>1 or p=1,q>1\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^p(\ln n)^q} \text{ is convergent if } p > 1 \text{ or } p = 1, q > 1 ∑n=1∞1np(ln⁡n)q is divergent if p<1 or p=1,q≤1\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^p(\ln n)^q} \text{ is divergent if } p < 1 \text{ or } p = 1, q \leq 1

幾何級數就看公比: ∣r∣<1|r| < 1

(3) Integral Tests

使用條件:

  1. ana_n 是正項級數(全部都負的話就翻成正的)
  2. ana_n 遞減,可用 f′(x)f'(x) 的正負來判斷是否遞減。

∑n=1∞an\sum_{n=1}^\infty a_n 的斂散性和 ∫1∞f(x)dx\int_1^\infty f(x)dx 相同。

證明:

收斂的部分用 DCT + MST 證:

發散的部分用 DCT 證:

數論裡面一些演算法的時間複雜度、函數成長速度就是用積分估算的。

調和級數:∑n=1NNn≈∫1NNxdx=Θ(Nlog⁡N)\displaystyle \sum_{n=1}^N \frac{N}{n} \approx \int_1^N \frac{N}{x} dx = \Theta(N \log N)

杜教篩:N23+∑n=1⌊N1/3⌋Nn≈N23+∫1N1/3Nxdx=O(N23)\displaystyle N^{\frac{2}{3}} + \sum_{n=1}^{\lfloor N^{1/3} \rfloor} \sqrt{\frac{N}{n}} \approx N^{\frac{2}{3}} + \int_1^{N^{1/3}} \sqrt{\frac{N}{x}} dx = O(N^{\frac{2}{3}})

(4) Comparison Tests

使用條件:

  1. ana_n 是正項級數(全部都負的話就翻成正的)

有分成 DCT 跟 LCT,但形式都滿單純的所以就不寫上來。

DCT 證明可以用 MST,而 LCT 證明可以先設 m<an/bn<M  ⟹  mbn<an<Mbnm < a_n / b_n < M \implies m b_n < a_n < M b_n,得出上下界後用 DCT。

(5) Alternating Series Test

使用條件:

  1. ana_n 是交錯級數

以下兩個條件都要驗證,注意不能只驗證第 2 個:

  1. ∣an∣|a_n| 非嚴格遞減,即 ∣an∣−∣an+1∣≥0|a_n| - |a_{n+1}| \geq 0
  2. lim⁡n→∞∣an∣=0\lim_{n \to \infty} |a_n| = 0

其實把 sns_n 放到數線上的話,不難發現 sns_n 會來回跳動,非嚴格遞減、收斂到 0 這兩個條件可以保證每次跳動的長度越來越小,振幅越小最後就會收斂在某個點上。

證明的話也很單純,以最後收斂的和 ss 作為分界點,會發現其中一邊是奇數另外一邊是偶數。先選擇其中一邊來證明收斂 (by MST),最後另外一邊的證明就只要補上某一項讓奇偶性反轉,就可以不用兩邊都做 MST。

(6) Ratio/Root Test

Ratio Test: Let r=lim⁡n→∞∣an+1an∣r = \lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}}{a_n} \right|

Root Test: Let r=lim⁡n→∞∣an∣nr = \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{\vert a_n \vert}

If r<1  ⟹  r < 1 \implies converge.

If r>1∨r=∞  ⟹  r > 1 \lor r = \infty \implies diverge.

If r=1  ⟹  r = 1 \implies fail.

事實上兩個 Test 等價,即:

lim⁡n→∞∣an+1an∣=r  ⟺  lim⁡n→∞∣an∣n=r(Cauchy’s Second Theorem on Limits)\lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}}{a_n} \right| = r \iff \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{\vert a_n \vert} = r \quad \text{(Cauchy's Second Theorem on Limits)}

餘項估計

定義 ss 為 ∑an\sum a_n 收斂到的值。

定義 Rn=s−sn=∑k=n+1∞akR_n = s - s_n = \sum_{k=n+1}^\infty a_k。

有時候級數和沒有特定公式可以計算,只能取前面有限個項,餘項估計就是在考慮只取有限個項的情況下產生的誤差。

Integral Test

∫n+1∞f(x)dx≤Rn≤∫n∞f(x)dx\int_{n+1}^\infty f(x)dx \leq R_n \leq \int_n^\infty f(x)dx sn+∫n+1∞f(x)dx≤s≤sn+∫n∞f(x)dxs_n + \int_{n+1}^\infty f(x)dx \leq s \leq s_n + \int_n^\infty f(x)dx

Alternating Series Test

∣Rn∣≤∣an+1∣|R_n| \leq |a_{n+1}|