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p-級数とp-級数判定法 📂微分積分学

p-級数とp-級数判定法

定義1

次のような 級数pp-級数p-seriesという。

n=11np \sum\limits_{n=1}^{\infty} \dfrac{1}{n^{p}}

説明

累乗数の無限和に対する一般化だ。下で紹介する判定法はpp-級数に対してのみ使えるが、条件と結果が非常に簡単明瞭だ。

pp-級数判定法

n=11np\displaystyle \sum\limits_{n=1}^{\infty} \dfrac{1}{n^{p}}p>1p \gt 1のとき収束し、p1p \le 1のとき発散する。

証明

f(x)=1xpf(x) = \dfrac{1}{x^{p}}としよう。するとf(n)=1npf(n) = \dfrac{1}{n^{p}}で、ff[1,)[1, \infty)連続かつ減少している。したがって積分判定法が使用できる。

積分判定法

1f(x)dx is convergent    n=1an is convergent \int_{1}^{\infty} f(x) dx \text{ is convergent} \iff \sum\limits_{n=1}^{\infty} a_{n} \text{ is convergent}

積分判定法によって、積分11xpdx\displaystyle \int_{1}^{\infty} \dfrac{1}{x^{p}}dxが収束すればpp-級数も収束し、積分が発散すればpp-級数も発散する。この積分はp>1p \gt 1のときのみ収束するのでpp-級数はp>1p \gt 1のときのみ収束する。


  1. James Stewart, Daniel Clegg, and Saleem Watson, Calculus (early transcendentals, 9E), p754-755 ↩︎