调和级数

H = 1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + ... = ∞
它发散,但比其他常见发散级数慢得多

调和级数是所有单位分数的和。每一项 1/n 都趋向于 0,这似乎暗示总和可能会收敛,但事实并非如此。经典证明利用分组:1/3+1/4 > 1/2,接着 1/5+1/6+1/7+1/8 > 1/2,而之后的每一组至少也都贡献 1/2。因此总和会超过任何给定界限。尽管如此,它发散得异常缓慢:要让部分和达到 100,所需项数比可观测宇宙中的原子数还多。

奥雷姆证明:通过分组看出发散
1 + 1/2 + (1/3+1/4) + (1/5+…+1/8) + …
每一组都 ≥ 1/2:1/3+1/4 > 2×1/4 = 1/2,而 1/5+…+1/8 > 4×1/8 = 1/2。
我们总能继续再加一组 ≥ 1/2,因此总和没有上界。证毕(Oresme 约 1360 年)。
H(n) 的增长像 ln(n) 再加上 γ
02.54.997.49H(n) = 1+1/2+...+1/nln(n)13346671kn

H(n) 与 ln(n) 一起增长,二者始终相差约 γ ≈ 0.5772。两者都会发散:要让 H(n) = 100,大约需要 10^43 项。

发散有多慢:H(n) 超过整数量级时的里程碑
49.79599.592.935.197.4914.3921.335.1299.591010^210^310^610^910^15~10^43

要使 H(n)=100,大约需要 10^43 项,这比可观测宇宙中的原子总数还要多。

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调和级数速览

调和级数 1 + 1/2 + 1/3 + ... 会发散。Nicole Oresme 大约在 1350 年证明了这一点。虽然每一项都趋于 0,但总和仍会超过任何上界。它的部分和增长得像 ln(n) + gamma,其中 gamma ≈ 0.5772,是欧拉-马歇罗尼常数。即便加到一百万项,总和也只有大约 14。要达到 100,则需要超过 10^43 项。与之相比,交错级数 1 - 1/2 + 1/3 - ... 则会收敛到 ln 2。

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