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1 –+–+–+ …
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改变这些数字的先后次序,它的和应该不会发生变化,因为根据加法交换律,对于任意数字A和数字B,都有:
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A+B=B+A
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但是,如果把这些数字按照下面这种次序重新排列,会出现什么结果呢?
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1 ––+––+––+ …
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注意,加在一起的还是那些数字,因为所有分母为奇数的数字都带有正号,所有分母为偶数的数字都带有负号。尽管算式中偶数的出现频率是奇数的两倍,但无论奇数还是偶数都用之不竭,而且原算式中的所有项在新算式中都只出现一次。大家对此没有异议吧?那么,请大家算出这个和:
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结果我们发现它竟然是原无穷和的一半!怎么会出现这种情况呢?把各项数字重新排列,计算结果竟然变得不一样了。之所以出现这个令人惊讶的结果,是因为在无穷多个数字相加时不可以使用加法交换律。
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如果收敛级数中的正数项和负数项分别构成发散级数(也就是说,正数项的和为∞,负数项的和为–∞),就会出现这样的问题。我们给出的最后一个例子就是这种情况。这样的级数被称为“条件收敛级数”。令人吃惊的是,对条件收敛级数重新排序,可以得出我们想要得到的任意结果。比如,如何排列上面这个级数,让它最后的得数为42呢?首先,让正数项相加,使它们的和刚好超过42,然后减去第一个负数项。再加上一个正数项,使和再次超过42,然后减去第二个负数项。重复上述步骤,最终的和就会越来越接近42。(比如,减去第5个负数项 –1/10之后的计算结果,与42的差会始终保持在0.1以下。减去第50个负数项 –1/100后的计算结果与42的差会始终保持在0.01以下,以此类推。)
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我们在实践中遇到的无穷级数大多不会表现出这种奇怪的特性。如果某个无穷级数的所有项在取绝对值(将负数项全部变成正数项)之后具有收敛性,我们就称这是一个“绝对收敛级数”。例如,我们在前文中见过的交错级数:
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1 –+–+– … =
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它就是一个绝对收敛级数,因为各项的绝对值相加可以得到一个我们非常熟悉的收敛级数:
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1 +++++ … = 2
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绝对收敛级数虽然有无穷多项,但它们可以应用加法交换律。因此,在上面那个交错级数中,无论我们如何打乱1、–1/2、1/4、–1/8等项的先后次序,它们的和一定收敛于2/3。
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无穷级数可以无休止地写下去,但是写作总有结束的一天,我也必须遵从这个规律。现在,我似乎应该跟大家说再见了,但是,我仍然希望把握最后的机会,继续带领大家遨游数学的魔法王国。
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