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ダランベールの収束判定法 📂微分積分学

ダランベールの収束判定法

定理1

級数n=0an\sum\limits_{n=0}^{\infty} a_{n}に対して、limnan+1an=L\lim\limits_{n \to \infty} \left| \dfrac{a_{n+1}}{a_{n}} \right| = Lとしよ。

(a) もしL<1L < 1なら、級数は絶対収束する。

(b) もしL>1L > 1またはL=L = \inftyなら、級数は発散する。

(c) もしL=1L = 1なら、判定できない。

説明

もしL=1L = 1なら、判定できないから、級数が収束するか発散するかを判断するためには他の判定法を使わなければならない。定理の述べ方は根の判定法と似ている。

(c)

もしL=1L = 1なら、収束する場合もあるし、発散する場合もある。例えば、以下の2つの級数は両方ともL=1L = 1だけど、左の調和級数は発散し、右の[pp]級数(../1754)は収束する。

n=11nn=11n2 \sum\limits_{n = 1}^{\infty} \dfrac{1}{n} \qquad \sum\limits_{n = 1}^{\infty} \dfrac{1}{n^{2}}

証明

(a)

証明のアイデアは、収束する幾何級数と比較することだ。L<1L \lt 1だから、L<r<1L \lt r \lt 1を満たす正のrrが存在する。すると、limnan+1/an=L\lim\limits_{n \to \infty} | a_{n+1} / a_{n} | = Lだから、十分大きなNNに対して次が成り立つ。

an+1an<r,for all nN \left| \dfrac{a_{n+1}}{a_{n}} \right| \lt r, \quad \text{for all } n \ge N

書き換えると

an+1<anr,for all nN(1) \left| a_{n+1} \right| \lt \left| a_{n} \right|r, \quad \text{for all } n \ge N \tag{1}

(1)(1)n=Nn = Nを代入すると次のようになる。

aN+1<aNr(2) \left| a_{N+1} \right| \lt \left| a_{N} \right|r \tag{2}

(1)(1)n=N+1n = N+1を代入すると、(1)(1)(2)(2)によって次が得られる。

aN+2<aN+1r<aNr2 \left| a_{N+2} \right| \lt \left| a_{N+1} \right|r \lt \left| a_{N} \right|r^{2}

同様にして次の式が得られる。

aN+3<aN+2r<aN+1r2<aNr3aN+4<aN+3r<aN+2r2<aN+1r3<aNr4aN+k<aNrk,for all k1 \begin{align*} \left| a_{N+3} \right| &\lt \left| a_{N+2} \right|r \lt \left| a_{N+1}\right|r^{2} \lt \left| a_{N}\right|r^{3} \\ \left| a_{N+4} \right| &\lt \left| a_{N+3} \right|r \lt \left| a_{N+2}\right|r^{2} \lt \left| a_{N+1}\right|r^{3} \lt \left| a_{N}\right|r^{4} \\ &\vdots \\ \left| a_{N+k} \right| &\lt \left| a_{N}\right|r^{k},\quad \text{for all } k \ge 1 \end{align*}

ところで級数k=1aNrk=aNr+aNr2+aNr3+\sum\limits_{k = 1}^{\infty} |a_{N}|r^{k} = |a_{N}| r + |a_{N}| r^{2} + |a_{N}| r^{3} + \cdots 幾何級数r<1|r| \lt 1だから収束する。したがって比較判定法によりk=1aN+k\sum\limits_{k=1}^{\infty} |a_{N+k}|も収束する。つまりan\sum a_{n}は絶対収束する。(前の有限項は級数の収束に影響しない)

(b)

もしL>1L > 1またはL=L = \inftyなら、十分大きいNNに対して次が成り立つ。

an+1an>1,for all nN \left| \dfrac{a_{n+1}}{a_{n}} \right| \gt 1, \quad \text{for all } n \ge N

    an+1>an,for all nN \implies \left| a_{n+1} \right| \gt \left| a_{n} \right|, \quad \text{for all } n \ge N

したがってlimnan0\lim\limits_{n \to \infty} a_{n} \ne 0だから、発散判定法によってan\sum a_{n}は発散する。


  1. James Stewart, Daniel Clegg, and Saleem Watson, Calculus (early transcendentals, 9E), p774-775 ↩︎