微积分历程之伯努利兄弟

1 级数
经过牛顿和莱布尼茨的努力,让人们对求曲面的面积有了一些认识。在当时,积分就是求面积。而求面积就是通过微分的方法,将无穷多个极小的面积相加。
无穷多个数相加在今天我们将它称之为无穷级数。如何计算无穷级数就成了当时的一个热门话题。
在莱布尼茨提出变换定理后不久,数学界的一对天才,伯努利兄弟就对级数中,两个重要的问题给出了自己的答案。
首先是哥哥雅各布·伯努利对调和级数的贡献。
2 什么是调和级数
这是它的数学表达式。
这个级数名字源于泛音及泛音列(泛音列与调和级数英文同为harmonic series):一条振动的弦的泛音的波长依次是基本波长的1/2、1/3、1/4……等等。
调和序列中,第一项之后的每一项都是相邻两项的调和平均数.
二数的调和平均数为:
也就是说。,等等等等。
在我们的直觉里,无穷级数的一般项缩小至零,则级数收敛。但事实真的是这样吗?
3 准备工作
3.1 等比数列与等差数列

如果是公比为的正数项的等比数列,而也是从开始的正数项的等差数列,那么,那么,等比数列中其余每一项都大于对应的等差数列中的对应项

3.2 等比数列求和

在任意有限项等比数列中,第1项与第2项的比,等于除最后一项外所有项的和与除第1项外所有项的和的比

4 调和级数发散
准备工作做完了,可以开始来证明了。
4.1 思路
伯努利的证明思路与我们现在类似,他要证明,不论级数中的项如何增大,总能从之后找到部分和等于1.从而整个级数发散。
4.2 证明过程
假设从第项开始后,部分和再也不可能等于1.即:
此时的分母构成了一个等差数列。
此时构造一个与等差数列数列前两项相同的等比数列,其中,公比
这样根据之前等比数列与等差数列的关系,得到:
再根据之前的等比数列的求和公式,将带入得到:
这与之前的不符。
因此从调和级数的任何一项开始,其剩余部分的某个有限项的和必然超过1或者更大
也就是说,调和级数可以写成:
5 结论
雅各布·伯努利通过证明调和级数发散,向世人宣布
即使无穷级数的一般项缩小至零,也不足以保证级数收敛
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