一−二+四−八+…
佇咧數學中,一 − 二 + 四 − 八 +…是一个無窮的級數,伊的每一項攏是二的冪而加減號是交含地排列。作為何級數,伊以一為首項,鋪二為公比。
- $ \ sum _ { k=零 } ^ { n } ( 鋪二 ) ^ { k } $
作為實數級數,伊發散甲無散,所以佇一般的意義下伊的佮無存在的。佇咧較廣泛的意義下跤,這級數有一个廣義的佮為 ⅓。
歷史上的爭論
戈特增加里德 ・ 萊布尼茨佇一六七三年已經想過一 − 二 + 四 − 八 +…這个交替的發散級數。伊認為經過對正爿抑是倒爿相減,分別會當得著限無限佮負無限,所以兩个答案攏是毋著的,規个級數必為有限:
- " 若是兩个結論里無一个是會用得接受的,抑是講因為無法度判斷佗一个結論會當予人接受,自然一般會選擇處佇咧兩个結論中央的結論,所以這个級數佮是一个有限數。"
萊布尼茲並毋是非常肯定這个級數有 _ 和 _,毋過伊根據墨卡托方法推測伊和 ⅓ 有關係。佇彼个十八世紀,「 一个數項級數的佮可能等於一个並毋是其逐項疊的結果的有限數」是一个十分普通的觀點,雖然現代數學觀點仝彼當陣的觀點並無任何分別。
做克里斯提安 ・ 沃爾夫佇一七一二年閱讀了萊布尼茲對格蘭迪級數的解法了後,伊對此解法非常的滿意,並設法通過這種方法去走揣閣較濟解決發散級數問題的數學方法(如一 − 二 + 四 − 八 + 十六 −…)。 簡明講,若是某人以倒數第二項的函數來表示級數的部分佮,伊得著的結果會是 $ { \ tfrac { 四 m + 一 } { 三 } } $ 抑是講 $ { \ tfrac { 扳四 n + 一 } { 三 } } $。遮的值的平均值是 $ { \ tfrac { 二 m 鋪二 n + 一 } { 三 } } $,然後假使講 _ m _=_ n _,討論著無限了就得著級數佮是 ⅓。萊布尼茲的直覺佇這个時陣予伊避免了佇沃著夫的解法上著力頭。伊予沃爾夫回批,講伊的解法有一點仔意思呢,但是因為幾若个原因無效。相鄰的兩个部份佮並無收斂著任何一个特定值上,同時佇任何有限條件下跤攏有 _ n _=二 _ m _,毋是 _ n _=_ m _。橫直,可求佮級數的項終其尾攏攢好勢無;就算一 − 一 + 一 − 一 +…嘛會當予人表示做這號級數的極限。萊布尼茲勸沃爾夫閣好好仔考慮一下,認為伊無的確「會當舞出一寡佇伊於科學攏有價值的物件。」
現代方法
等比數列
任何有規律性、線性佮穩定性的求佮方法攏會當對等比數列(幾何級數)求和
- $ \ sum _ { k=零 } ^ { n } ar ^ { k }={ \ frac { a } { 一-r } } $ .
佇這个情形下 _ a _=一而且 _ r _=− 二,所以的級數佮是 ⅓。
歐拉求和
佇伊一七五五年的《Institutiones》上,萊昂哈德 ・ 歐拉是採用這馬予人叫做歐拉轉換的方式處理理咧 − 二 + 四 − 八 +…,得著矣收斂的級數 ½ − ¼ + ⅛ − 十六分之一 +…。 因為後者的和為 ⅓,歐拉會出結論,認為講一 − 二 + 四 − 八 +…=⅓。伊對無窮級數的看法無啥遵循現代方法。現此時,咱稱一 − 二 + 四 − 八 +…是歐拉可求和,其歐拉佮就是 ⅓。
歐拉轉換以正項序列開始:
- _ a _ 零=一 ,
- _ a _ 一=二 ,
- _ a _ 二=四 ,
- _ a _ 三=八 ,….
佇頭前向差分序列是
- Δ _ a _ 零=_ a _ 一 − _ a _ 零=二 − 一=一 ,
- Δ _ a _ 一=_ a _ 二 − _ a _ 一=四 − 二=二 ,
- Δ _ a _ 二=_ a _ 三 − _ a _ 二=八 − 四=四 ,
- Δ _ a _ 三=_ a _ 四 − _ a _ 三=十六 − 八=八 ,…,
這序列佮頂一序列拄好仝款。所以對每一 _ n _,迵天代前向差分序列均 Δn _ a _ 零=一開始。級數的歐拉轉換如下:
- $ { \ frac { a _ { 零 } } { 二 } }-{ \ frac { \ Delta a _ { 零 } } { 四 } } + { \ frac { \ Delta ^ { 二 } a _ { 零 } } { 八 } }-{ \ frac { \ Delta ^ { 三 } a _ { 零 } } { 十六 } } + \ cdots={ \ frac { 一 } { 二 } }-{ \ frac { 一 } { 四 } } + { \ frac { 一 } { 八 } }-{ \ frac { 一 } { 十六 } } + \ cdots . $
頂頭級數是收斂的比級數,按呢規求和公式提出其和做 ⅓。
鮑萊耳佮
一 − 二 + 四 − 八 +…的鮑萊耳佮嘛是 ⅓;鮑萊耳於一八九六年介紹了鮑萊耳佮極限的公式,這是伊咧關於一 − 一 + 一 − 一 +…後的頭一个實例之一。