고조파 직렬(수학)

Harmonic series (mathematics)

수학에서 조화계열다이버전트 무한계열이다.

그것의 이름은 음악에서 오버톤, 즉 고조파라는 개념에서 유래한다: 진동하는 문자열의 오버톤 파장은 문자열의 기본 파장 1/2, 1/3, 1/4 등. 첫 번째 용어 이후 시리즈의 모든 용어는 이웃 용어의 조화 평균이다; 조화 평균도 마찬가지로 음악에서 유래한다.

역사

조화 시리즈의 분화는 니콜 오레스메에 의해 14세기에 처음으로 증명되었지만,[1] 이 성과는 무명으로 떨어졌다. 증명서는 17세기에 피에트로 멘골리[2] 그의 형인 제이콥 베르누리에 의해 출판되고 대중화된 요한 베르누이에 의해 주어졌다.[3][4][5]

역사적으로 조화로운 순서는 건축가들에게 일정한 인기를 끌었다. 이것은 바로크 시대에 건축가들이 평면도, 입면도, 입면도, 교회와 궁궐의 내외부 건축 디테일의 조화로운 관계를 확립하기 위해 그것들을 사용했던 매우 특별한 시기였다.[6]

발산

고조파 계열의 분화에 대한 몇 가지 잘 알려진 증거가 있다. 그것들 중 몇 개는 아래에 제시되어 있다.

비교시험

분산을 증명하는 한 가지 방법은 고조파 계열을 다른 다이버전트 계열과 비교하는 것이다. 여기서 각 분모는 다음 두 개의 최대 전력으로 대체된다.

고조파 계열의 각 항은 두 번째 계열의 해당 항보다 크거나 같으므로 고조파 계열의 합은 두 번째 계열의 합보다 크거나 같아야 한다. 그러나 두 번째 시리즈의 합은 무한하다.

(여기서, " ={{\=\ 은 시리즈의 부분 합계가 구속 없이 증가한다는 것을 나타내기 위한 논리에 불과하다.)

고조파 계열의 합도 무한해야 한다는 것을 (비교 시험에 의해) 따른다. 좀 더 정확히 말하자면, 위의 비교는 다음과 같은 것을 증명한다.

모든 정수 k에 대해.

니콜 오레스미가 1350년경에 제안한 이 증거는 수학계의[by whom?] 많은 사람들에 의해 중세 수학의 고점으로 여겨지고 있다. 그것은 오늘날에도 수학 수업에서 가르치는 표준적인 증거다. 코치의 응축 테스트는 이 주장을 일반화한 것이다.

적분시험

통합 테스트의 그림.

합을 부적합한 적분과 비교함으로써 고조파 계열의 분산을 증명할 수 있다. 특히 오른쪽 그림에 표시된 직사각형의 배열을 고려하십시오. 각 직사각형은 폭이 1단위이고 높이 1/n이므로 무한 직사각형 수의 총 면적은 다음과 같은 고조파 계열의 합이다.

또한, 1에서 무한대로의 y = 1/x 곡선 아래의 총 영역은 다음과 같은 다양하고 부적절한 적분에 의해 주어진다.

이 영역은 직사각형 내에 완전히 포함되므로 직사각형의 전체 영역도 무한해야 한다. 더 정확히 말하면, 첫 k 직사각형은 x + 곡선 아래 영역을 완전히 덮는다.

이 주장의 일반화는 적분 시험으로 알려져 있다.

발산율

고조파 시리즈는 매우 천천히 분전한다. 예를 들어 처음 10개43 항의 합계가 100보다 작다.[7] 시리즈물의 부분 합계가 로그 성장을 하기 때문이다. 특히.

여기서 γ오일러-마스케로니 상수이고 εk ~ 1/2kk가 무한대로 가면서 0에 접근한다. 레온하르트 오일러는 이 둘 다와 프리메스의 왕복만을 포함하는 합이 또한 분산된다는 더욱 놀라운 사실을 증명했다.[8]

부분합

처음 30개의 고조파 숫자
n 고조파 계열n 부분 합계 H
분수로 표현된 십진법의 상대적 크기
1 1 ~1 1
2 3 /2 ~1.5 1.5
3 11 /6 ~1.83333 1.83333
4 25 /12 ~2.08333 2.08333
5 137 /60 ~2.28333 2.28333
6 49 /20 ~2.45 2.45
7 363 /140 ~2.59286 2.59286
8 761 /280 ~2.71786 2.71786
9 7129 /2520 ~2.82897 2.82897
10 7381 /2520 ~2.92897 2.92897
11 83711 /27720 ~3.01988 3.01988
12 86021 /27720 ~3.10321 3.10321
13 1145993 /360360 ~3.18013 3.18013
14 1171733 /360360 ~3.25156 3.25156
15 1195757 /360360 ~3.31823 3.31823
16 2436559 /720720 ~3.38073 3.38073
17 42142223 /12252240 ~3.43955 3.43955
18 14274301 /4084080 ~3.49511 3.49511
19 275295799 /77597520 ~3.54774 3.54774
20 55835135 /15519504 ~3.59774 3.59774
21 18858053 /5173168 ~3.64536 3.64536
22 19093197 /5173168 ~3.69081 3.69081
23 444316699 /118982864 ~3.73429 3.73429
24 1347822955 /356948592 ~3.77596 3.77596
25 34052522467 /8923714800 ~3.81596 3.81596
26 34395742267 /8923714800 ~3.85442 3.85442
27 312536252003 /80313433200 ~3.89146 3.89146
28 315404588903 /80313433200 ~3.92717 3.92717
29 9227046511387 /2329089562800 ~3.96165 3.96165
30 9304682830147 /2329089562800 ~3.99499 3.99499

편차 고조파 계열의 유한 부분 합,

조화수라고 불린다.

Hn ln n차이는 오일러-마스케로니 상수로 수렴된다. 어떤 두 고조파 숫자의 차이는 결코 정수가 아니다. H1 = 1을 제외하고 어떤 고조파 숫자도 정수가 아니다.[9]: p. 24 [10]: Thm. 1

관련 시리즈

교류 고조파 시리즈

교대 고조파 직렬(검은색 선 세그먼트)의 첫 14 부분 합계는 2의 자연 로그(빨간색 선)로 수렴되는 것을 보여주었다.

시리즈

교류 고조파 시리즈로 알려져 있다. 이 시리즈는 교번 시리즈 시험에 의해 수렴된다. 특히 이 합계는 자연 로그인 2와 같다.

교대 고조파 시리즈는 조건적으로 수렴되는 동안 절대적으로 수렴되지 않는다. 즉, 직렬의 용어들이 체계적으로 재배열되면 일반적으로 합계가 달라지고 재배열에 따라 무한정 될 수 있다.

교류 고조파 계열 공식은 메르카토르 계열의 특별한 경우, 자연 로그에 대한 테일러 계열이다.

아크탄젠트용 테일러 시리즈에서 관련 시리즈를 도출할 수 있다.

이것은 라이프니즈 시리즈로 알려져 있다.

일반 고조파 계열

일반 고조파 계열은 형식이다.

여기서 ≠ 0b는 실수이고, b/a는 0이나 음의 정수가 아니다.

고조파 계열과의 한계 비교 시험에 의해, 모든 일반 고조파 계열도 분화한다.

p-시리즈

고조파 영상 시리즈의 일반화는 p-영상 시리즈(또는 초화 영상 시리즈)로, 다음과 같이 정의된다.

실제 번호 p에 대해. p = 1일 때 p-시리즈는 고조파 계열로, 분리가 된다. 적분시험이나 Cauchy 응축시험에서는 p-시리즈 p > 1(이 경우 과화합성 시리즈라고 한다)에 모두 수렴하여 p 1에 대해 분산하는 것을 보여준다. p > 1이면 p-시리즈의 합은 ζ(p),p에서 평가한 리만 제타함수이다.

p = 2의 합계를 구하는 문제를 바젤 문제라고 하는데, 레온하르트 오일러그것2 //6이라는 것을 보여주었다. 로저 아페리비이성적인 수라는 것을 증명했기 때문에 p = 3의 합계 값은 아페리의 상수라고 불린다.

ln 시리즈

p-시리즈와 관련된 것은 다음과 같이 정의되는 ln-시리즈이다.

모든 양의 실제 번호 p에 대해. 는 p ≤ 1에 대해 분산되지만 모든 p > 1에 대해 수렴하기 위한 적분 시험으로 확인할 수 있다.

φ시리즈

모든 볼록, 실제 값 함수 φ.

시리즈

수렴성이 있다.[citation needed]

랜덤 고조파 시리즈

랜덤 고조파 시리즈

sn 독립적이고 동일한 분포의 랜덤 변수가 동일한 확률 1/2로 +1 및 -1 값을 취하는 경우, 확률 이론에서 확률 1과 수렴하는 일련의 랜덤 변수에 대한 잘 알려진 예다. 이러한 수렴의 사실은 콜모고로프 3계열 정리나 밀접하게 연관되어 있는 콜모고로프 최대불평등의 쉬운 결과다. 앨버타 대학의 바이런 슈물란드는 무작위 고조파 시리즈의 성질을 더 자세히[11] 조사했고, 수렴 시리즈가 어떤 흥미로운 성질을 가진 무작위 변수라는 것을 보여주었다. 특히 +2 또는 -2에서 평가된 이 랜덤 변수의 확률밀도함수 1/8에서 10보다−42 작은 0.1249999999999999999999764 값을 차지한다. Schmuland의 논문은 왜 이 확률1/8에 가깝지만, 정확하지는 않은지에 대해 설명한다. 이 확률의 정확한 값은 무한 코사인 제품 적분 C2[12] π으로 나눈 값이다.

고갈된 고조파 시리즈

분모의 아무 곳이나 숫자 9가 나타나는 모든 항이 제거되는 고갈된 고조파 시리즈는 값 22.92067661926415034816으로 수렴되는 것을 보여줄 수 있다....[13] 실제로 어떤 특정한 숫자의 문자열을 포함하는 모든 용어(모든 베이스에서)가 제거되면 시리즈는 수렴된다.[14]

적용들

하모니 시리즈는 n번째의 한계가 0으로 무한대로 가더라도 서로 다른 시리즈이기 때문에 학생들이 처음 접하게 되는 직관에 반할 수 있다. 고조파 계열의 차이도 몇몇 명백한 역설의 근원이 된다. 이것의 한 예는 "고무대 위의 벌레"[15]이다. 고무줄이 일률적으로 늘어나면서 무한탄력 1m 고무줄을 따라 벌레가 기어간다고 가정해보자. 지렁이가 분당 1cm씩 이동하고 띠가 분당 1m씩 늘어나면 지렁이가 고무줄 끝에 도달하는 일이 있을까. 역직적으로 답은 "네"이다. n분 후, 고무줄의 총 길이에 대한 벌레가 이동한 거리의 비율은

(사실 밴드가 계속 확장되면서 실제 비율은 이 합계보다 조금 적다.)

시리즈는 n이 커질수록 임의로 커지기 때문에 결국 이 비율은 1을 초과해야 하는데, 이는 웜이 고무줄의 끝에 도달한다는 것을 의미한다. 그러나 이러한 현상이 발생하는 n의 값은 매우 커야 한다. 대략43 e, 10분(10년37)을100 초과하는 숫자. 비록 고조파 시리즈는 분리가 되지만, 매우 천천히 분리가 된다.

조화 시리즈와 관련된 또 다른 문제는 지프 문제인데, 이 문제는 (한 형태로) 사막을 건너는 데 연료 운반 용량이 제한적인 지프에게 총 연료가 얼마나 필요한지를 묻고, 노선을 따라 연료가 떨어질 수도 있다. 일정한 양의 연료로 횡단할 수 있는 거리는 로그적으로 성장하는 고조파 계열의 부분 합계와 관련이 있다. 따라서 필요한 연료는 원하는 거리에 따라 기하급수적으로 증가한다.

블록 쌓기 문제: 모든 폭의 고조파 직렬 브리지 분할에 따라 정렬된 블록.

또 다른 예는 블록 쌓기 문제인데, 동일한 도미노의 컬렉션을 볼 때, 그것들이 떨어지지 않고 테이블 가장자리에 걸려 있도록 테이블 가장자리에 쌓는 것이 분명히 가능하다. 역직관적 결과는 도미노가 충분하다면 오버행(overhang)을 임의로 크게 만드는 방식으로 쌓을 수 있다는 것이다.[15][16]

반면에, 더 간단한 예는 수영장의 벽을 만질 때 계속해서 속도를 더하는 수영선수다. 수영 선수는 2m/s의 속도로 10m의 수영장을 건너기 시작하고, 모든 크로스를 할 때마다 2m/s가 더해진다. 이론적으로, 수영하는 사람의 속도는 무한하지만, 그 속도에 도달하기 위해 필요한 수영장 크로스의 수는 매우 커진다. 예를 들어, 의 속도에 도달하기 위해서는 수영하는 사람이 수영장을 1억 5천만 번 건너야 한다. 이 큰 숫자와는 달리, 주어진 속도에 도달하는 데 필요한 시간은 주어진 풀 크로스의 수(반복)에서 시리즈 합계에 따라 달라진다.

총계(반복적으로)를 계산하면 빛의 속도에 도달하는 데 필요한 시간이 97초밖에 안 된다는 것을 알 수 있다. 이 지점(빛의 속도를 초과하여, 다시 특수 상대성을 무시함)을 넘어 계속됨으로써, 수영장을 가로지르는 데 걸리는 시간은 반복 횟수가 매우 커짐에 따라 사실상 0에 근접하게 되며, 수영장을 가로지르는 데 필요한 시간은 0(무한 반복 횟수에서)에 가까운 경향이 있지만, 반복의 합(시간 ta)은 0에 가까워지게 된다.총 풀 크로스를 위한 ken)은 여전히 매우 느린 속도로 갈릴 것이다.

참고 항목

참조

  1. ^ Oresme, Nicole (c. 1360). Quaestiones super Geometriam Euclidis [Questions concerning Euclid's Geometry].
  2. ^ Mengoli, Pietro (1650). "Praefatio [Preface]". Novae quadraturae arithmeticae, seu De additione fractionum [New arithmetic quadrature (i.e., integration), or On the addition of fractions]. Bologna: Giacomo Monti.
    멘골리의 증거는 모순에 의한 것이다.
    S는 시리즈의 합계를 나타내도록 하자. Group the terms of the series in triplets: S = 1 + (1/2 + 1/3 + 1/4) + (1/5 + 1/6 + 1/7) + (1/8 + 1/9 + 1/10) + … Since for x > 1, 1/x − 1 + 1/x + 1/x + 1 > 3/x, then S > 1 + 3/3 + 3/6 + 3/9 + … = 1 + 1 + 1/2 + 1/3 + … = 1 + S, which is false for any finite S. 따라서 시리즈는 갈라진다.
  3. ^ Bernoulli, Johann (1742). "Corollary III of De seriebus varia". Opera Omnia. Lausanne & Basel: Marc-Michel Bousquet & Co. vol. 4, p. 8.
    요한 베르누이의 증거도 모순에 의한 것이다. 각 용어 1/n을 다음과 같이 나타내는 텔레스코픽 합을 사용한다.
    현대 표기법에서 해당 이중 시리즈에서 합계의 순서 변경
    )= = 1 + 1= S- =\sum =1
  4. ^ Bernoulli, Jacob (1689). Propositiones arithmeticae de seriebus infinitis earumque summa finita [Arithmetical propositions about infinite series and their finite sums]. Basel: J. Conrad.
  5. ^ Bernoulli, Jacob (1713). Ars conjectandi, opus posthumum. Accedit Tractatus de seriebus infinitis [Theory of inference, posthumous work. With the Treatise on infinite series…]. Basel: Thurneysen. pp. 250–251.
    250페이지부터, 소품. 16:
    "XVI. Suma serei infinita harmonica generalium, 1/1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + 1/5 &c. est infinita. 프리머스 딘은 동료들을 체포했다."
    [16. 조화진행의 무한 계열의 합, 1/1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + 1/5 + …은 무한하다. 오빠는 이것을 처음 발견했다…]
  6. ^ Hersey, George L. Architecture and Geometry in the Age of the Baroque. pp. 11–12, 37–51.
  7. ^ Sloane, N. J. A. (ed.). "Sequence A082912 (Sum of a(n) terms of harmonic series is > 10n)". The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences. OEIS Foundation.
  8. ^ Euler, Leonhard (1737). "Variae observationes circa series infinitas" [Various observations concerning infinite series]. Commentarii Academiae Scientiarum Petropolitanae. 9: 160–188.
  9. ^ 줄리안 하빌, 감마: 2009년 프린스턴 대학 출판부의 오일러 상수 탐사.
  10. ^ 토마스 J. 오슬러, "정수가 될 수 없는 부분적인 시리즈의 합계" , The Mathematical Gazette 96, 2012년 11월, 515–519. https://www.jstor.org/stable/24496876?seq=1#page_scan_tab_contents
  11. ^ Schmuland, Byron (May 2003). "Random Harmonic Series" (PDF). American Mathematical Monthly. 110 (5): 407–416. doi:10.2307/3647827. JSTOR 3647827.
  12. ^ Weisstein, Eric W. "Infinite Cosine Product Integral". MathWorld. Retrieved November 9, 2020.
  13. ^ Robert Baillie (May 1979). "Sums of Reciprocals of Integers Missing a Given Digit". The American Mathematical Monthly. 86 (5): 372–374. doi:10.1080/00029890.1979.11994810. JSTOR 2321096.
  14. ^ Thomas Schmelzer and Robert Baillie (Jun 2008). "Summing a Curious, Slowly Convergent Series". The American Mathematical Monthly. 115 (6): 545–540. JSTOR 27642532.
  15. ^ a b Graham, Ronald; Knuth, Donald E.; Patashnik, Oren (1989), Concrete Mathematics (2nd ed.), Addison-Wesley, pp. 258–264, ISBN 978-0-201-55802-9
  16. ^ Sharp, R. T. (1954). "Problem 52: Overhanging dominoes" (PDF). Pi Mu Epsilon Journal. 1 (10): 411–412.

외부 링크