在数学 中,1 − 2 + 4 − 8 + … 是一个无穷级数 ,它的每一项都是2的幂 而加减号则是交错地排列。作为几何级数, 它以 1 为首项,-2为公比。
∑
k
=
0
n
(
−
2
)
k
{\displaystyle \sum _{k=0}^{n}(-2)^{k}}
作为实数 级数,它发散 到无穷,所以在一般意义下它的和不存在。在更广泛的意义下,这一级数有一个广义的和为⅓。
戈特弗里德·莱布尼茨 于1673年已经细想过1 − 2 + 4 − 8 + … 这个交替的发散级数。他认为经过从右边或左边相减,分别可以得到正无限 及负无限,所以两个答案都是错的,而整个级数必为有限:
"如果两个结论里没有一个是可被接受的,或者说因为无法判断哪个结论可被接受,自然一般会选择处在两个结论中间的结论,所以这个级数和是一个有限数。"
莱布尼兹并不是非常肯定这个级数有和 ,但是他根据墨卡托方法推测它和⅓有关系。[ 1] 在十八世纪,“一个数项级数的和可能等于一个并不是其逐项叠加的结果的有限数”是一个十分普通的观点,尽管现代数学观点同当时的观点并没有任何分别。[ 2]
当克里斯提安·沃尔夫 在1712年阅读了莱布尼兹对格兰迪级数 的解法后,[ 3] 他对此解法非常满意,并设法通过这种方法去寻求更多解决发散级数问题的数学方法(如 1 − 2 + 4 − 8 + 16 − … )。简明地说,如果某人以倒数第二项的函数来表示级数的部分和的话,他得到的结果会是
4
m
+
1
3
{\displaystyle {\tfrac {4m+1}{3}}}
或者
−
4
n
+
1
3
{\displaystyle {\tfrac {-4n+1}{3}}}
。 这些值的平均值是
2
m
−
2
n
+
1
3
{\displaystyle {\tfrac {2m-2n+1}{3}}}
,然后假设m = n ,讨论到无限后就得到了级数和是 ⅓ 。莱布尼兹的直觉在这时让他避免了在沃尔夫的解法上费力气。他给沃尔夫回信,说他的解法有点意思,但是因几个原因而无效。 相邻的两个部分和并不收敛到任何一个特定值上,同时在任何有限条件下都有n = 2m ,而不是n = m 。总之,可求和级数的项最终都应收敛到零;即使 1 − 1 + 1 − 1 + … 也可以被表示成这种级数的极限。莱布尼兹劝沃尔夫再好好考虑一下,认为他说不定“可以搞出一些于他于科学都有价值的东西。”[ 4]
任何具有规律性、线性和稳定性 的求和方法都能对等比数列 (几何级数)求和
∑
k
=
0
n
a
r
k
=
a
1
−
r
{\displaystyle \sum _{k=0}^{n}ar^{k}={\frac {a}{1-r}}}
.
在这种情况下 a = 1 且 r = −2,所以级数和是 ⅓。
在他1755年的《Institutiones》上,莱昂哈德·欧拉 采用了现在被称为欧拉变换 的方式处理1 − 2 + 4 − 8 + … ,得到了收敛级数½ − ¼ + ⅛ − 1 /16 + … 。因为后者的和为⅓,欧拉得出结论,认为1 − 2 + 4 − 8 + … = ⅓ 。[ 5] 他对于无穷级数的看法不太遵循现代方法。如今,我们称1 − 2 + 4 − 8 + … 是欧拉可求和 ,其欧拉和是⅓。[ 6]
《Institutiones 》节选
欧拉变换以正项序列开始:
a 0 = 1,
a 1 = 2,
a 2 = 4,
a 3 = 8, ….
而前向差分 序列是
Δa 0 = a 1 − a 0 = 2 − 1 = 1,
Δa 1 = a 2 − a 1 = 4 − 2 = 2,
Δa 2 = a 3 − a 2 = 8 − 4 = 4,
Δa 3 = a 4 − a 3 = 16 − 8 = 8, …,
这一序列与上一序列正好相同。因此对于每一n ,迭代前向差分序列均以Δn a 0 = 1 开始。级数的欧拉变换如下:
a
0
2
−
Δ
a
0
4
+
Δ
2
a
0
8
−
Δ
3
a
0
16
+
⋯
=
1
2
−
1
4
+
1
8
−
1
16
+
⋯
.
{\displaystyle {\frac {a_{0}}{2}}-{\frac {\Delta a_{0}}{4}}+{\frac {\Delta ^{2}a_{0}}{8}}-{\frac {\Delta ^{3}a_{0}}{16}}+\cdots ={\frac {1}{2}}-{\frac {1}{4}}+{\frac {1}{8}}-{\frac {1}{16}}+\cdots .}
上述级数是一收敛等比级数 ,按常规求和公式得出其和为⅓。
1 − 2 + 4 − 8 + … 的博雷尔和 也是 ⅓;博雷尔 于1896年介绍了博雷尔和极限的公式,这是他在关于1 − 1 + 1 − 1 + … [ 7] 后的首个实例之一。
Leibniz pp.205-207; Knobloch pp.124-125. 引自《De progressionibus intervallorum tangentium a vertice 》,拉丁语原文:“Nunc fere cum neutrum liceat, aut potius cum non possit determinari utrum liceat, natura medium eligit, et totum aequatur finito.”
沃尔夫第一次对信件的引用是发表在《Acta Eruditorum 》的来自德国哈雷 的一封信中,日期为1712年6月12日;Gerhardt,第143-146页。
引言是Moore的解释(第2-3页);出自Gerhardt pp.147-148莱布尼兹的信,日期为1712年7月13日,来自汉诺威 。
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Leibnitz, Gottfried Wilhelm freiherr von. Leibnizens gesammelte Werke, herausg. von G.H. Pertz (C.L. Grotefend, C.I. Gerhardt). . 1860 [2022-10-12 ] . (原始内容存档 于2022-10-12) (拉丁语) .
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