我们的李永乐老师最近在文章中提到调和级数,并从此讲到了黎曼猜想,厉害了。我们这里仅仅具体聊聊调和级数为什么发散。

历史上是谁最先证明调和级数是发散的呢?

文艺复兴时代有位意大利数学家,名字叫蒙勾里(Pietro Mengoli, 1625-1686),是博洛尼亚的神职人员。博洛尼亚这个地方出数学家不奇怪,貌似博洛尼亚有世界上最古老的大学。

差积公式李永乐(调和级数为什么发散)(1)

蒙勾里证明调和级数收敛仅仅依赖于下面的简单不等式, 对所有的x>1,有

差积公式李永乐(调和级数为什么发散)(2)

这就有矛盾。故调和级数不是收敛的。

中世纪黑暗时期法国学者奥穆雷(Nicole d'Oreme,约1323-1382)也给出过一个证明。

奥穆雷的方法则是逐次每2^n个项进行合并、估计。具体来说,他注意到

差积公式李永乐(调和级数为什么发散)(3)

奥莱姆的这个证明也是现在教科书中通用的方法。

现在,利用简单的微积分知识,也很快能证明。

差积公式李永乐(调和级数为什么发散)(4)

方法是积分判别法。因

差积公式李永乐(调和级数为什么发散)(5)

差积公式李永乐(调和级数为什么发散)(6)

调和级数发散实际上是一件令人吃惊,违反直观的事情。网上有位名叫“三江方士”的网友说:

“我断断续续算了20年,即便没有得到答案,但我确信这个和值是有限的,而且很可能不会大于400。我苦于自己不是数学专业没有快捷方法和先进机器,所以希望业界有心人士能来试一试,我相信这个课题比哥德巴赫猜想更有意义。”

我们上面注意到只要把调和级数的项增加任意一个阶

差积公式李永乐(调和级数为什么发散)(7)

差积公式李永乐(调和级数为什么发散)(8)

则前n项之和S_n超过400。这等价于要求n>exp(400)这是一个巨大的数字。即使穷其一生,三江方士也计算不到这一项。也不能如三江方士所说,归咎于没有高明的计算机和计算技术,即便利用最好的计算资源,要逐项加也是不可能完成的任务。

调和级数的发散性的证明是数学史上的大事情。就如所有数学知识一样,如果要从头开始,其实都不是简单的事情。

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