调和级数

叫做 调和级数 (Harmonic series)。请证明该级数是的。

用反证法来证明,设该级数,其,从而有。构造另外一个

根据,因为也是,所以有,进而可得:

但是:

根据,可知上述不等式说明了:

至此产生了矛盾,因此“该级数收敛”这个假设是错误的,从而该级数是的。

这里再举例说明下上述例题中提到的调和级数。该级数名字源于泛音列(泛音列与调和级数英文同为 harmonic series),所以先解释一下什么是泛音列。把下面想作一根琴弦,当它震动的时候就会发出声音,如下图所示。

震动的琴弦

如果琴弦的震动频率大约为的话,那么发出的声音差不多就是低音“哆”。而频率是倍的,或者说波长为的声音,就称为低音“哆”的泛音列。下图中第一个代表震动的琴弦,之下就是它的泛音列。

震动频率为的琴弦,及其泛音列

将泛音列排在一起,它们的波长就是一个调和级数,如下图所示。钢琴、吉他、小提琴都可以发出低音“哆”,但是音色听上去不同的原因,就是除了的基调之外,混合了不同比例的泛音。

震动频率为的琴弦及其泛音列,构成一个调和级数

上面的例题中证明了调和级数是发散的,实际上该级数发散的非常慢。在下面动图中展示了该级数的计算结果,其中每0.1秒会增加,同学们可以观察一下该级数什么时候会累加到13?直接告诉结果吧,大概7个小时后会累加到13。累加到60(没错,就是60这个区区小数),基本上需要花几十亿年的时间。你盯着屏幕一年、两年,一直盯到你怀疑人生,整数位都一直没有变化,你想或许它收敛了吧,可是它终究在顽强地变大。

所以古人一度认为调和级数是收敛的,直到 14 世纪的尼科尔·奥雷姆才证明了该级数是发散的,其给出的证明方式大致如下:

当然上述证明不太严谨,比如没有说明在无穷个数相加中加括号的正确性,也没有说明在无穷个数相加时进行缩放的正确性等等。

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