阿貝爾定理表示,如果當(dāng)時(shí),冪級(jí)數(shù)收斂,則對(duì)于適合不等式的一切,該級(jí)數(shù)絕對(duì)收斂;反之,當(dāng)時(shí),級(jí)數(shù)發(fā)散,則對(duì)于適合不等式的一切,該級(jí)數(shù)發(fā)散。
此外,由阿貝爾定理可得到推論,如果冪級(jí)數(shù)既有非零的收斂點(diǎn),又有發(fā)散點(diǎn),則必存在一個(gè)正數(shù),使得當(dāng)時(shí),冪級(jí)數(shù)絕對(duì)收斂;當(dāng)時(shí),冪級(jí)數(shù)發(fā)散;當(dāng)時(shí),冪級(jí)數(shù)可能收斂,也可能發(fā)散。
在阿貝爾定理推論的基礎(chǔ)上,可以給出冪級(jí)數(shù)收斂半徑和收斂區(qū)間的定義,即滿(mǎn)足阿貝爾定理推論的條件的正數(shù)叫作冪級(jí)數(shù)的收斂半徑,開(kāi)區(qū)間叫作冪級(jí)數(shù)的收斂區(qū)間。
定理定義
這個(gè)公式公布不到兩年,卡當(dāng)?shù)膶W(xué)生費(fèi)拉里就找到了四次方程的求根公式。當(dāng)時(shí)數(shù)學(xué)家們非常樂(lè)觀,以為馬上就可以寫(xiě)出五次方程、六次方程,甚至更高次方程的求根公式了。然而,時(shí)光流逝了幾百年,誰(shuí)也找不出這樣的求根公式。
這樣的求根公式究竟有沒(méi)有呢?年輕的挪威數(shù)學(xué)家尼爾斯·亨利克·阿貝爾做出了回答:“沒(méi)有?!卑⒇悹枏睦碚撋嫌枰宰C明,無(wú)論怎樣用加、減、乘、除及開(kāi)方運(yùn)算,無(wú)論將方程的系數(shù)怎樣排列,它都決不可能是一般五次方程的求根公式。
阿貝爾率先解決了這個(gè)引人矚目的難題。所以成為阿貝爾定理
定理1(阿貝爾第一定理)
(1)若冪級(jí)數(shù)① 在收斂,則冪級(jí)數(shù)①在都絕對(duì)收斂。(2)若冪級(jí)數(shù)① 在發(fā)散,則冪級(jí)數(shù)①在都發(fā)散。
定理推廣
如果冪級(jí)數(shù)不是僅在一點(diǎn)收斂,也不是在整個(gè)數(shù)軸上都收斂,那么必有一個(gè)確定的正數(shù)R存在,使得
當(dāng)時(shí),冪級(jí)數(shù)絕對(duì)收斂;
當(dāng) 時(shí),冪級(jí)數(shù)發(fā)散;
當(dāng)時(shí),冪級(jí)數(shù)可能收斂也可能發(fā)散。
定理2
有冪級(jí)數(shù)①,即,若
則冪級(jí)數(shù)①的收斂半徑為
定理3(阿貝爾第二定理)
若冪級(jí)數(shù)①的收斂半徑,則冪級(jí)數(shù)①在任意閉區(qū)間 都一致收斂。
性質(zhì)1
若冪級(jí)數(shù)與的收斂半徑分別是正數(shù)與,則
性質(zhì)2
若冪級(jí)數(shù)的收斂半徑,則它的和函數(shù)在區(qū)間連續(xù)。
性質(zhì)3
若冪級(jí)數(shù)的收斂半徑,則它的和函數(shù)由0到x可積,且可逐項(xiàng)積分,即
性質(zhì)4
若冪級(jí)數(shù)的收斂半徑,則它的和函數(shù)在區(qū)間可導(dǎo),且可逐項(xiàng)導(dǎo)數(shù)
參考資料
橢圓函數(shù)是從橢圓積分來(lái)的。早在18世紀(jì),從研究物理、天文、幾何學(xué)的許多問(wèn)題中經(jīng)常導(dǎo)出一些不能用初等函數(shù)表示的積分,這些積分與計(jì)算橢圓弧長(zhǎng)的積分往往具有某種形式上的共同性,橢圓積分就是如此得名的。19世紀(jì)初,橢圓積分方面的權(quán)威是法國(guó)科學(xué)院的耆宿、德高望重的勒讓得(A.M.Legen-dre,1752-1833)。他研究這個(gè)題材長(zhǎng)達(dá)40年之久,他從前輩工作中引出許多新的推斷,組織了許多常規(guī)的數(shù)學(xué)論題,但他并沒(méi)有增進(jìn)任何基本思想,他把這項(xiàng)研究引到了“山重水復(fù)疑無(wú)路”的境地。也正是阿貝爾,使勒讓得在這方面所研究的一切黯然失色,開(kāi)拓了“柳暗花明”的前途。
關(guān)鍵來(lái)自一個(gè)簡(jiǎn)單的類(lèi)比。微積分中有一條眾所周知的公式上式左邊那個(gè)不定積分的反函數(shù)就是三角函數(shù)。不難看出,橢圓積分與上述不定積分具有某種形式的對(duì)應(yīng)性,因此,如果考慮橢圓積分的反函數(shù),則它就應(yīng)與三角函數(shù)也具有某種形式的對(duì)應(yīng)性。既然研究三角函數(shù)要比表示為不定積分的反三角函數(shù)容易得多,那么對(duì)應(yīng)地研究橢圓積分的反函數(shù)(后來(lái)就稱(chēng)為橢圓函數(shù))不也應(yīng)該比橢圓積分本身容易得多嗎?
“倒過(guò)來(lái)”,這一思想非常優(yōu)美,也的確非常簡(jiǎn)單、平凡。但勒讓得苦苦思索40年,卻從來(lái)沒(méi)有想到過(guò)它。科學(xué)史上并不乏這樣的例證“優(yōu)美、簡(jiǎn)單、深刻、富有成果的思想,需要的并不是知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的單純積累,不是深思熟慮的推理,不是對(duì)研究題材的反復(fù)咀嚼,需要的是一種能夠穿透一切障礙深入問(wèn)題根的非凡的洞察力,這大概就是人們所說(shuō)的天才吧。“倒過(guò)來(lái)”的想法像閃電一樣照徹了這一題材的奧秘,憑借這一思想,尼爾斯·亨利克·阿貝爾高屋建瓴,勢(shì)如破竹地推進(jìn)他的研究。他得出了橢圓函數(shù)的基本性質(zhì),找到了與三角函數(shù)中的π有相似作用的常數(shù)K,證明了橢圓函數(shù)的周期性。他建立了橢圓函數(shù)的加法定理,借助于這一定理,又將橢圓函數(shù)拓廣到整個(gè)復(fù)域,并因而發(fā)現(xiàn)這些函數(shù)是雙周期的,這是別開(kāi)生面的新發(fā)現(xiàn);他進(jìn)一步提出一種更普遍更困難類(lèi)型的積分——阿貝爾積分,并獲得了這方面的一個(gè)關(guān)鍵性定理,即著名的阿貝爾基本定理,它是橢圓積分加法定理的一個(gè)很寬的推廣。至于尼爾斯·亨利克·阿貝爾積分的反演——阿貝爾函數(shù),則是不久后由伯恩哈德·黎曼(B.Riemann,1826-1866)首先提出并加以深入研究的。事實(shí)上,阿貝爾發(fā)現(xiàn)了一片廣袤的沃土,他個(gè)人不可能在短時(shí)間內(nèi)把這片沃土全部開(kāi)墾完畢,用埃爾米特(Hermite)的話來(lái)說(shuō),“阿貝爾留下的后繼工作,夠數(shù)學(xué)家們忙上五百年”。阿貝爾把這些豐富的成果整理成一長(zhǎng)篇論文《論一類(lèi)極廣泛的超越函數(shù)的一般性質(zhì)》。此時(shí)他已經(jīng)把gaussian置諸腦后,放棄了訪問(wèn)哥延根的打算,而把希望寄托在法國(guó)的數(shù)學(xué)家身上。他婉辭了克雷勒勸其定居柏林的建議后,便啟程前往巴黎。在這世界最繁華的大都會(huì)里,薈萃著像奧古斯丁-路易·柯西(A.L.Cauchy,1789-1857)、勒讓得、拉普拉斯(P.S.LapLace,1749-1827)、傅立葉(I.Fourier,1768-1830)、泊松(S.D.西莫恩·泊松,1781-1840)這樣一些久負(fù)盛名的數(shù)字巨擘,尼爾斯·亨利克·阿貝爾相信他將在那里找到知音。
設(shè)為一冪級(jí)數(shù),其收斂半徑為 R。若對(duì)收斂圓(模長(zhǎng)為 R的復(fù)數(shù)的集合)上的某個(gè)復(fù)數(shù),級(jí)數(shù)收斂,則有: 。
若收斂,則結(jié)果顯然成立,無(wú)須引用這定理。
例子和應(yīng)用
阿貝爾定理的一個(gè)有用應(yīng)用是計(jì)算已知收斂級(jí)數(shù)。方法是通過(guò)在級(jí)數(shù)每項(xiàng)后加上項(xiàng),將問(wèn)題轉(zhuǎn)換為冪級(jí)數(shù)求和,最后再計(jì)算 x趨于1 時(shí)冪級(jí)數(shù)的極限。由阿貝爾定理可知,這個(gè)極限就是原級(jí)數(shù)的和。
1. 為計(jì)算收斂級(jí)數(shù),設(shè)
于是有
2. 為計(jì)算收斂級(jí)數(shù) ,設(shè)
因此有
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