Mathematics · Buku 4 · Bachelor Year 2

Matematika Universitas — Tahun 2

Matematika Universitas — Tahun 2 · Bachelor Year 2

7Barisan dan Deret

Teori deret numerik (jilid Tahun ke-1) matang di sini pada tiga arah: deret yang bernilai di ruang Banach, tempat kekonvergenan mutlak melakukan pekerjaannya; uji yang lebih halus bagi deret real (penjumlahan Abel); serta keluarga terjumlahkan — penjumlahan yang dibebaskan dari urutan sukunya — lengkap dengan teorema Fubini untuk jumlah ganda dan hasil kali Cauchy. Perkakas ini mengusung semua bab deret fungsi berikutnya.

7.1 Deret pada ruang bernorma

Definisi 7.1

Untuk barisan (un)(u_n) pada ruang bernorma EE, deret un\sum u_n konvergen apabila jumlah parsialnya konvergen; deret itu konvergen mutlak apabila un<\sum \norm{u_n} < \infty. Pada ruang Banach, kekonvergenan mutlak mengakibatkan kekonvergenan (Teorema 5.21); sedangkan pada ruang yang tidak lengkap hal itu dapat gagal (Latihan 7.9).

Contoh 7.2

Di Mn(K)\mathcal{M}_n(K) (atau Lc(E)\mathcal{L}_c(E) dengan EE Banach): untuk A<1\vertiii A < 1, deret Neumann Ak\sum A^k konvergen mutlak ke (IA)1(I - A)^{-1} (yang dibuktikan pada Latihan 5.5); sedangkan Akk!\sum \frac{A^k}{k!} konvergen mutlak ke eA\eu^A untuk setiap AA (Contoh 5.22). Deret geometri dan deret eksponensial bernilai operator berkelakuan seperti model skalarnya — dan itulah seluruh inti kerangka Banach.

7.2 Penjumlahan Abel

Teorema 7.3 (Penjumlahan Abel dan ujinya)

(Penjumlahan parsial) Untuk skalar ana_n dan vektor bnb_n, dengan Bn=k=0nbkB_n = \sum_{k=0}^{n} b_k:

n=0Nanbn=aNBNn=0N1(an+1an)Bn.\sum_{n=0}^{N} a_n b_n = a_N B_N - \sum_{n=0}^{N-1} (a_{n+1} - a_n) B_n .

(Uji Abel) Jika (an)(a_n) barisan real yang turun ke 00, dan jumlah parsial BnB_n bersifat terbatas (di sebuah ruang Banach), maka anbn\sum a_n b_n konvergen.

Bukti. Kesamaannya, langkah demi langkah: dengan B1=0B_{-1} = 0, tulislah bn=BnBn1b_n = B_n - B_{n-1} lalu pecah,

n=0Nanbn=n=0NanBnn=0NanBn1=n=0NanBnn=0N1an+1Bn,\sum_{n=0}^{N} a_nb_n = \sum_{n=0}^{N} a_nB_n - \sum_{n=0}^{N} a_nB_{n-1} = \sum_{n=0}^{N} a_nB_n - \sum_{n=0}^{N-1} a_{n+1}B_{n} ,

dengan jumlah keduanya diindeks ulang lewat nn+1n \mapsto n + 1 (dan suku B1B_{-1} lenyap); setelah jangkauan bersamanya 0nN10 \leq n \leq N-1 dikumpulkan, tersisa aNBNa_NB_N ditambah nN1(anan+1)Bn\sum_{n\leq N-1}(a_n - a_{n+1})B_n: itulah rumus yang dinyatakan tadi. Ia adalah pengintegralan parsial versi diskret, dengan (Bn)(B_n) sebagai antiturunan (bn)(b_n) dan selisih an+1ana_{n+1} - a_n sebagai turunan (an)(a_n). Untuk ujinya, dengan BnM\norm{B_n} \leq M: suku batasnya aNBN0a_N B_N \to 0; sedangkan deret (anan+1)Bn\sum (a_n - a_{n+1})B_n konvergen mutlak, sebab

n(an+1an)BnMn(anan+1)=Ma0<\sum_n \norm{(a_{n+1} - a_n)B_n} \leq M \sum_n (a_n - a_{n+1}) = M a_0 < \infty

(lewat teleskop, dengan an0a_n \downarrow 0). Kedua potongan kesamaannya konvergen, sehingga anbn\sum a_n b_n pun konvergen.

Contoh 7.4

Deret sinnn\sum \frac{\sin n}{n} konvergen: sebab an=1n0a_n = \frac1n \downarrow 0 dan Bn=k=1nsinkB_n = \sum_{k=1}^{n} \sin k terbatas — memang Bn=kneik=ei(ein1)ei1B_n = \Im\sum_{k \leq n} \eu^{\iu k} = \Im\,\frac{\eu^{\iu}(\eu^{\iu n} - 1)}{\eu^{\iu} - 1}, yang bermodulus 2ei1\leq \frac{2}{\abs{\eu^{\iu} - 1}}. Deret itu tidak konvergen mutlak (sebab sinnsin2n=1cos2n2\abs{\sin n} \geq \sin^2 n = \frac{1 - \cos 2n}{2}, dan 1cos2n2n\sum \frac{1 - \cos 2n}{2n} divergen karena cos2nn\sum \frac{\cos 2n}{n} konvergen lewat uji Abel yang sama sedangkan 12n\sum \frac{1}{2n} divergen). Uji deret berselang-seling tak lain kasus khusus bn=(1)nb_n = (-1)^n.

Contoh 7.5 (Abel pada lingkaran kekonvergenan)

Untuk zz kompleks yang mana dengan z=1\abs z = 1 deret n1znn\sum_{n \geq 1} \frac{z^n}{n} konvergen? Di z=1z = 1 ia menjadi deret harmonik, jadi divergen. Untuk z1z \neq 1 pada lingkarannya, uji Abel berlaku dengan an=1n0a_n = \frac1n \downarrow 0 dan bn=znb_n = z^n, yang jumlah parsialnya terbatas tanpa bergantung pada NN:

n=1Nzn=z(zN1)z12z1.\Bigl|\sum_{n=1}^{N} z^n\Bigr| = \Bigl|\frac{z(z^N - 1)}{z - 1}\Bigr| \leq \frac{2}{\abs{z - 1}} .

Jadi konvergen — walaupun tak pernah mutlak (sebab 1n\sum\frac1n). Satu deret, selingkar perilaku: divergen di satu titik saja, dan semi-konvergen di semua titik lainnya. Inilah perilaku baku di perbatasan bagi deret pangkat (Bab 11), yang di sini dijumpai dengan tangan kosong; di z=1z = -1 ia memulihkan deret harmonik berselang-seling, dan di z=eiθz = \eu^{\iu\theta} bagian real dan bagian imajinernya adalah deret cosnθn\sum\frac{\cos n\theta}{n} dan sinnθn\sum\frac{\sin n\theta}{n} pada Latihan 7.4.

Contoh 7.6 (Deret berselang-seling yang beranjau)

Apakah n2(1)nn+(1)n\sum_{n\geq2} \dfrac{(-1)^n}{\sqrt n + (-1)^n} konvergen? Tandanya berselang-seling dan sukunya menuju 00 — namun uji berselang-selingnya tidak berlaku: sebab modulusnya 1n+(1)n\frac{1}{\sqrt n + (-1)^n} tidak turun (ia melonjak naik pada tiap nn yang ganjil). Uraikanlah sebagai gantinya:

(1)nn+(1)n=(1)nn11+(1)nn=(1)nn1n+O(1n3/2).\frac{(-1)^n}{\sqrt n + (-1)^n} = \frac{(-1)^n}{\sqrt n}\cdot \frac{1}{1 + \frac{(-1)^n}{\sqrt n}} = \frac{(-1)^n}{\sqrt n} - \frac{1}{n} + O\Bigl(\frac{1}{n^{3/2}}\Bigr).

Potongan pertamanya konvergen (lewat uji berselang-seling yang diterapkan secara jujur pada 1n0\frac1{\sqrt n}\downarrow0), potongan ketiganya konvergen mutlak — tetapi potongan tengahnya adalah deret harmonik yang divergen: jadi jumlahnya divergen ke -\infty. Pelajaran penutupnya: ketika kemonotonannya gagal, uraikanlah sampai tiap potongannya konvergen mutlak atau menjadi kasus uji yang bersih; sebab 1n-\frac1n yang tersembunyi itu tak terlihat oleh pencacahan tanda.

Catatan 7.7 (Jebakan yang sering muncul)

(i) “Sukunya menuju 00” tidak membuktikan apa pun: sebab deret harmonik divergen. (ii) Uji berselang-seling menuntut modulus yang turunContoh 7.6 adalah contoh penyangkal kanoniknya, dan deret ketiga pada Latihan 7.1 menjadi latihannya. (iii) Deret yang konvergen bersyarat tidak boleh ditata ulang (Contoh 7.12), dan hasil kali Cauchy-nya dapat divergen: untuk (1)nn+1\sum\frac{(-1)^n}{\sqrt{n+1}} yang dikuadratkan, suku diagonalnya memenuhi

ck=m=0k1(m+1)(km+1)(k+1)2k+220\abs{c_k} = \sum_{m=0}^{k} \frac{1}{\sqrt{(m+1)(k-m+1)}} \geq (k+1)\cdot\frac{2}{k+2} \longrightarrow 2 \neq 0

(sebab tiap faktornya paling banyak k+22\frac{k+2}2 menurut AM–GM), sehingga ck\sum c_k divergen — jadi kekonvergenan mutlak sekurangnya satu faktor (Latihan 7.8) bukanlah kemewahan. (iv) Keterjumlahan menurut definisinya berbicara tentang batas yang mutlak: jadi tak ada yang namanya keluarga terjumlahkan bersyarat.

7.3 Keluarga terjumlahkan

Definisi 7.8

Misalkan II himpunan indeks yang terbilang. Sebuah keluarga (ui)iI(u_i)_{i \in I} berisi bilangan real tak negatif disebut terjumlahkan apabila jumlah parsial hingganya terbatas; jumlahnya adalah

iIui=supFI hinggaiFui[0,+].\sum_{i \in I} u_i = \sup_{F \subseteq I \text{ hingga}} \sum_{i \in F} u_i \in \intcc{0}{+\infty} .

Sebuah keluarga bilangan real atau kompleks (atau vektor Banach) disebut terjumlahkan apabila (ui)(\norm{u_i}) demikian; jumlahnya lalu ditetapkan dengan memecahnya menjadi bagian positif dan negatif (atau bagian real dan imajiner) — setara dengan itu, sebagai nilai bersama nuσ(n)\sum_{n} u_{\sigma(n)} atas semua pencacahan σ\sigma bagi II (lihat di bawah).

Metode 7.9 (Memilih sebuah uji)

Menghadapi un\sum u_n, urutannya begini. (1) Jika un↛0u_n \not\to 0, ia divergen, berhenti. (2) Jika sukunya bertanda tetap, bandingkanlah: carilah yang setara (Bab 6) lalu tempatkan ia pada peta Riemann–Bertrand. (3) Jika tandanya berselang-seling dengan modulus yang turun, pakai uji berselang-seling; sedangkan jika modulusnya tidak monoton, uraikanlah sukunya sampai tiap potongannya konvergen mutlak atau menjadi kasus uji yang bersih (Contoh 7.6). (4) Jika pola tandanya berayun tetapi terstruktur (sinnθ\sin n\theta, einθ\eu^{\iu n\theta}, pangkat matriks), pakai uji Abel dengan jumlah parsial yang terbatas. (5) Kekonvergenan mutlak selalu patut diperiksa lebih dulu: ia lebih kuat, kebal terhadap urutan, dan membuka hasil kali Cauchy beserta Fubini.

Contoh 7.10 (Keterjumlahan lewat pencacahan diagonal)

Untuk s>0s > 0 yang mana keluarga ((m+n)s)m,n1\bigl((m + n)^{-s}\bigr)_{m, n \geq 1} terjumlahkan? Kelompokkan jumlah parsial hingganya menurut diagonal m+n=km + n = k: diagonal ke-kk mengusung k1k - 1 pasangan, yang masing-masing menyumbang ksk^{-s}, jadi jumlah hingganya tepat terbatas oleh (dan menghabiskan)

k2k1ks,\sum_{k \geq 2} \frac{k - 1}{k^{s}} ,

yakni deret bersuku positif yang setara dengan k1sk^{1-s}: jadi terjumlahkan bila dan hanya bila s1>1s - 1 > 1, yakni s>2s > 2. Indeks berdimensi dua memakan satu pangkat penuh: sebuah bidang suku “lebih divergen satu dimensi” daripada sebuah garis — jadi geometri pencacahan himpunan indeksnya, bukan besarnya tiap suku, yang memutuskan keterjumlahannya. (Pencacahan yang sama menunjukkan ((m2+n2)1)\bigl((m^2 + n^2)^{-1}\bigr) tidak terjumlahkan: pada diagonal m+n=km + n = k, tiap sukunya sedikitnya k2k^{-2}, dan (k1)k2(k-1)\cdot k^{-2} berjumlah seperti deret harmonik.)

Teorema 7.11 (Keterjumlahan dan urutan)

  1. Untuk keluarga tak negatif, jumlahnya awet terhadap pencacahan apa pun: iui=n=0uσ(n)\sum_{i} u_i = \sum_{n=0}^{\infty} u_{\sigma(n)} untuk setiap bijeksi σ ⁣:NI\sigma \colon \N \to I.
  2. Deret real atau kompleks un\sum u_n disebut konvergen komutatif (yakni setiap penataan ulangnya konvergen, dengan jumlah yang sama) bila dan hanya bila ia konvergen mutlak.

Bukti. (1) Setiap jumlah parsial nNuσ(n)\sum_{n \leq N} u_{\sigma(n)} merupakan jumlah parsial hingga keluarganya (jadi \leq supremumnya); sebaliknya setiap FF yang hingga termuat di suatu {σ(0),,σ(N)}\{\sigma(0), \dots, \sigma(N)\} (jadi supremumnya \leq limit deretnya). Kedua batasnya berimpit.

(2) Jika un<\sum\abs{u_n} < \infty: untuk sembarang penataan ulang σ\sigma dan ε>0\varepsilon > 0, pilihlah NN dengan n>Nunε\sum_{n > N}\abs{u_n} \leq \varepsilon; maka melampaui peringkat tempat σ\sigma sudah menghabiskan [ ⁣[0,N] ⁣]\intint{0}{N}, jumlah parsial yang ditata ulang itu berselisih dari limit asalnya paling banyak ε\varepsilon: jadi jumlahnya sama. Jika un=\sum \abs{u_n} = \infty padahal un\sum u_n konvergen (kasus real; kasus kompleksnya menyusul koordinat demi koordinat): maka bagian positif dan bagian negatifnya sama-sama divergen, dan penataan ulangnya dapat mencapai limit apa pun yang ditentukan — itulah teorema Riemann, yang dikerjakan pada Latihan 7.5 — sehingga kekonvergenan komutatifnya gagal.

Contoh 7.12 (Sebuah penataan ulang tertangkap basah)

Deret harmonik berselang-seling berjumlah n1(1)n1n=ln2\sum_{n\geq1}\frac{(-1)^{n-1}}{n} = \ln 2 (jilid Tahun ke-1). Tatalah ulang sebagai “satu positif, dua negatif”:

11214+131618+151 - \frac12 - \frac14 + \frac13 - \frac16 - \frac18 + \frac15 - \cdots

Setelah tiap blok bertiganya dikelompokkan,

12k114k214k=14k214k=12(12k112k),\frac{1}{2k-1} - \frac{1}{4k-2} - \frac1{4k} = \frac{1}{4k-2} - \frac{1}{4k} = \frac12\Bigl(\frac{1}{2k-1} - \frac1{2k}\Bigr),

maka deret yang ditata ulang itu konvergen ke 12ln2\frac12\ln 2 — separuh jumlah asalnya, dengan suku yang persis sama. Deret yang tidak konvergen mutlak mengingat urutan sukunya; sedangkan keluarga terjumlahkan justru yang tidak mengingatnya.

Contoh 7.13 (Mengelompokkan itu aman, membuka kelompok tidak)

Mengelompokkan suku berurutan sebuah deret yang konvergen tak pernah mengubah jumlahnya: sebab jumlah parsial yang dikelompokkan membentuk barisan bagian jumlah parsial asalnya. Operasi sebaliknya terlarang:

(11)+(11)+(11)+=0+0+=0,(1 - 1) + (1 - 1) + (1 - 1) + \cdots = 0 + 0 + \cdots = 0,

padahal 11+11+1 - 1 + 1 - 1 + \cdots yang tanpa kelompok bersifat divergen (sebab jumlah parsialnya berayun antara 11 dan 00). Membuka kelompok hanya sah bila ada hipotesis pengimbang — misalnya suku yang menuju 00 dengan panjang kelompok yang terbatas: sebab ketika itu, di antara dua jumlah parsial yang dikelompokkan, jumlah asalnya hanyut paling banyak sejumlah suku o(1)o(1) yang banyaknya terbatas, sehingga kekonvergenannya berpindah kembali. Persis itulah klausul yang membuat perhitungan blok pada Contoh 7.12 menjadi sebuah bukti, bukan sulap.

Teorema 7.14 (Fubini untuk keluarga; hasil kali Cauchy)

Misalkan (um,n)(m,n)N2(u_{m,n})_{(m,n) \in \N^2} keluarga ganda yang terjumlahkan (yakni supFFum,n<\sup_F \sum_F \abs{u_{m,n}} < \infty). Maka

(m,n)um,n=m=0(n=0um,n)=n=0(m=0um,n)=k=0(m+n=kum,n),\sum_{(m,n)} u_{m,n} = \sum_{m=0}^{\infty}\Bigl(\sum_{n=0}^{\infty} u_{m,n}\Bigr) = \sum_{n=0}^{\infty}\Bigl(\sum_{m=0}^{\infty} u_{m,n}\Bigr) = \sum_{k=0}^{\infty}\Bigl(\sum_{m+n=k} u_{m,n}\Bigr),

dengan semua deret dalamnya konvergen (secara mutlak). Khususnya, jika am\sum a_m dan bn\sum b_n konvergen mutlak, maka hasil kali Cauchy keduanya konvergen mutlak dengan

(mam)(nbn)=k=0ck,ck=m=0kambkm.\Bigl(\sum_m a_m\Bigr)\Bigl(\sum_n b_n\Bigr) = \sum_{k=0}^{\infty} c_k, \qquad c_k = \sum_{m=0}^{k} a_m b_{k-m} .

Bukti. Kasus tak negatif. Tiap pengelompokan (menurut baris, kolom, atau diagonal) menghitung supremum yang sama: sebab sembarang himpunan pasangan yang hingga termuat di sebuah blok baris yang hingga (sehingga tiap jumlah kelompoknya terbatas di bawah oleh jumlah parsial hingga dan di atas oleh totalnya), lalu kekonvergenan monoton jumlah parsialnya mengerjakan sisanya — secara konkret, untuk barisnya: dari mMnNum,nS\sum_{m \leq M}\sum_{n \leq N} u_{m,n} \leq S, dengan melewatkan NN \to \infty lalu MM \to \infty, diperoleh mnum,nS\sum_m \sum_n u_{m,n} \leq S; sebaliknya setiap FF yang hingga duduk di dalam persegi panjang semacam itu, jadi Smnum,nS \leq \sum_m\sum_n u_{m,n}. Untuk diagonalnya: kedua batas yang sama, dengan segitiga menggantikan persegi panjangnya.

Kasus umumnya. Pecahlah menjadi bagian positif dan negatif (atau real dan imajiner), yang masing-masing keluarga tak negatif yang terjumlahkan; keempat pengelompokannya sepakat pada tiap bagiannya, jadi sepakat pula pada selisihnya; sedangkan kekonvergenan mutlak deret dalamnya berasal dari kasus tak negatif yang diterapkan pada um,n\abs{u_{m,n}}.

Hasil kali Cauchy. Keluarga um,n=ambnu_{m,n} = a_m b_n terjumlahkan: sebab jumlah parsial hingga ambn\abs{a_mb_n} terbatas oleh (am)(bn)\bigl(\sum\abs{a_m}\bigr)\bigl(\sum\abs{b_n}\bigr). Barisnya memberi (am)(bn)\bigl(\sum a_m\bigr)\bigl(\sum b_n\bigr); sedangkan diagonalnya memberi kck\sum_k c_k.

Contoh 7.15 (Kesamaan eksponensial, secara jujur)

Untuk a,bCa, b \in \C (atau matriks yang komutatif):

(mamm!)(nbnn!)=km+n=kambnm!n!=k(a+b)kk!,\Bigl(\sum_m \frac{a^m}{m!}\Bigr)\Bigl(\sum_n \frac{b^n}{n!}\Bigr) = \sum_k \sum_{m+n=k} \frac{a^m b^n}{m!\,n!} = \sum_k \frac{(a + b)^k}{k!},

lewat teorema binomial pada tiap diagonalnya: jadi eaeb=ea+b\eu^a \eu^b = \eu^{a+b} — yakni persamaan fungsional exp\exp yang diturunkan dari deretnya semata. (Kekomutatifannya dipakai pada langkah binomialnya; untuk matriks yang tidak komutatif kesamaan itu sungguh gagal, Bab 16.)

Contoh 7.16 (Hasil kali Cauchy sebagai alat hitung)

Dari deret geometri dan n1nzn=z(1z)2\sum_{n \geq 1} nz^n = \frac{z}{(1-z)^2} (z<1\abs z < 1) pada Latihan 7.2, satu hasil kali Cauchy lagi merampungkan momen keduanya. Kalikan mmzm\sum_m mz^m dengan nzn\sum_n z^n: koefisien diagonalnya adalah m=0km=k(k+1)2\sum_{m=0}^k m = \frac{k(k+1)}2, sehingga

z(1z)3=k0k(k+1)2zk,\frac{z}{(1-z)^3} = \sum_{k\geq0}\frac{k(k+1)}{2}\,z^k ,

lalu kesamaan n2=2n(n+1)2nn^2 = 2\cdot\frac{n(n+1)}2 - n merakit

n1n2zn=2z(1z)3z(1z)2=z(1+z)(1z)3.\sum_{n\geq1} n^2z^n = \frac{2z}{(1-z)^3} - \frac{z}{(1-z)^2} = \frac{z(1+z)}{(1-z)^3} .

Di z=12z = \frac12: n1n22n=123218=6\sum_{n\geq1}\frac{n^2}{2^n} = \frac{\frac12\cdot\frac32}{\frac18} = 6 — sebuah nilai tertutup tanpa penurunan di mana pun, hanya deret yang konvergen mutlak lalu dikalikan seperti polinomial. Rangkaian kesamaan yang sama menghitung setiap ndzn\sum n^dz^n, dan para ahli peluang akan mengenali momen faktorial kedua pada distribusi geometri (Bab 23).

Contoh 7.17 (Sebuah penilaian jumlah ganda)

Untuk s>1s > 1 yang real, misalkan ζ(s)=n1ns\zeta(s) = \sum_{n\geq1} n^{-s}. Dengan mencacah pembagi lewat penjumlahan ganda — keluarga (msns)(m^{-s}n^{-s}) atas (m,n)(N)2(m,n) \in (\N^*)^2 terjumlahkan (sebab hasil kali deret positif yang konvergen) — lalu mengelompokkannya menurut hasil kali q=mnq = mn:

ζ(s)2=m,n1(mn)s=q=1d(q)qs,\zeta(s)^2 = \sum_{m,n} \frac{1}{(mn)^s} = \sum_{q=1}^{\infty} \frac{d(q)}{q^s},

dengan d(q)d(q) menyatakan banyaknya pembagi qq. Keluarga terjumlahkan mengubah kombinatorika menjadi analisis.

Contoh 7.18 (Sebuah penilaian Fubini: n(ζ(n)1)=1\sum_n (\zeta(n) - 1) = 1)

Untuk bilangan bulat n2n \geq 2 berlaku ζ(n)1=k2kn\zeta(n) - 1 = \sum_{k \geq 2} k^{-n}. Keluarga ganda (kn)k,n2(k^{-n})_{k, n \geq 2} terjumlahkan: dengan menjumlahkan kolom geometrinya lebih dulu,

k2n21kn=k21/k211/k=k21k(k1)=1\sum_{k\geq2}\sum_{n\geq2} \frac{1}{k^n} = \sum_{k\geq2} \frac{1/k^2}{1 - 1/k} = \sum_{k\geq2} \frac{1}{k(k-1)} = 1

(lewat teleskop), dan semua sukunya positif, jadi Teorema 7.14 mengizinkan penjumlahan menurut barisnya:

n2(ζ(n)1)=1.\sum_{n\geq2}\bigl(\zeta(n) - 1\bigr) = 1 .

Nilai ζ\zeta yang tak hingga banyaknya, yang masing-masing tampak transenden, punya ekor yang berjumlah tepat 11. Pelajaran penutupnya: ketika sebuah jumlah ganda bersuku positif, hitunglah ia dalam urutan mana pun yang runtuh — di sini kolomnya geometri, barisnya misterius, dan Fubini memindahkan keruntuhannya.

Contoh 7.19 (Deret geometri menyelesaikan sebuah persamaan)

Di ruang Banach (C([0,1]),)\bigl(C(\intcc01), \norm\cdot_\infty\bigr), selesaikan xK(x)=yx - K(x) = y dengan K(f)K(f) menyatakan fungsi konstan 1201f\frac12\int_0^1 f. Norma operatornya K12<1\vertiii K \leq \frac12 < 1, jadi deret Neumann berlaku (Contoh 7.2): x=n0Kn(y)x = \sum_{n\geq0} K^n(y). Hitung iterasinya: K(y)=1201yK(y) = \frac12\int_0^1 y (sebuah konstanta), dan menerapkan KK pada konstanta cc memberi c2\frac c2, sehingga Kn(y)=12n11201yK^n(y) = \frac{1}{2^{n-1}}\cdot\frac12\int_0^1 y untuk n1n \geq 1. Setelah konstanta geometrinya dijumlahkan:

x=y+(01y)n112n=y+01y.x = y + \Bigl(\int_0^1 y\Bigr) \sum_{n\geq1}\frac{1}{2^n} = y + \int_0^1 y .

Periksa: xK(x)=y+y12(y+y)=yx - K(x) = y + \int y - \frac12\bigl(\int y + \int y\bigr) = y. Sebuah deret tak hingga, sebuah jawaban hingga, dan pemeriksaan satu baris — jadi deret geometri adalah algoritme pembalikan, bukan sekadar pernyataan kekonvergenan.

Contoh 7.20 (Teleskop lewat pecahan parsial)

Penjumlahan eksak itu langka; teleskop adalah pemasok utamanya. Uraikanlah

1n(n+1)(n+2)=12(1n(n+1)1(n+1)(n+2)),\frac{1}{n(n+1)(n+2)} = \frac{1}{2}\Bigl(\frac{1}{n(n+1)} - \frac{1}{(n+1)(n+2)}\Bigr),

(periksa dengan menyamakan penyebutnya), sehingga jumlah parsialnya runtuh:

n=1N1n(n+1)(n+2)=12(1121(N+1)(N+2))14.\sum_{n=1}^{N}\frac{1}{n(n+1)(n+2)} = \frac12\Bigl(\frac{1}{1\cdot2} - \frac{1}{(N+1)(N+2)}\Bigr) \longrightarrow \frac14 .

Pola yang sama — yakni menulis sukunya sebagai c(unun+1)c(u_n - u_{n+1}) untuk suatu (un)(u_n) yang gamblang — menyelesaikan Latihan 7.10 (lewat arkus tangen) dan menghitung setiap 1n(n+1)(n+k)=1kk!\sum\frac{1}{n(n+1)\cdots(n + k)} = \frac{1}{k\cdot k!}. Bila ada jumlah eksak pada tingkat ini, biasanya ada teleskop yang bersembunyi di dalam sukunya.

Catatan 7.21 (Pandangan ke depan di dalam jilid ini)

Tiga bab berikutnya menjadi pelanggan langsungnya. Untuk Bab 10: kekonvergenan normal fn\sum f_n tak lain kekonvergenan mutlak fn\sum\norm{f_n}_\infty di ruang Banach (C,)\bigl(C, \norm\cdot_\infty\bigr) — yakni Teorema 5.21 yang berkostum. Untuk Bab 11: di dalam cakram kekonvergenannya segalanya mutlak dan terjumlahkan, jadi hasil kali Cauchy dan penataan ulang berjalan bebas (dan itulah sebabnya deret pangkat berkali seperti polinomial); sedangkan di perbatasannya uji Abel mengambil alih (Contoh 7.5). Untuk Bab 23: fungsi pembangkit peluang adalah deret pangkat yang segala manipulasinya — hasil kali untuk jumlah peubah saling bebas, jumlah ganda untuk distribusi majemuk — disahkan oleh Teorema 7.14. Keluarga terjumlahkan adalah bagian hukum bagi analisis yang akan datang.

Catatan 7.22 (Di mana bab ini dipakai)

Segala yang punya jumlah tak hingga melewati bab ini: deret pangkat (Bab 11) adalah keluarga terjumlahkan yang menyamar, koefisien Fourier dikalikan lewat hasil kali Cauchy dan ditata ulang oleh Parseval (Bab 14), dan fungsi pembangkit peluang (Bab 23) tak lain teorema Fubini yang diterapkan pada nilai harapan. Jilid Tahun ke-3 menyerap keluarga terjumlahkan ke dalam pengintegralan Lebesgue atas ukuran pencacah — tempat Teorema 7.14 menjadi kasus khusus teorema Fubini–Tonelli.

7.4 Latihan

Latihan 7.1

Sifat deret: cosnn\sum \dfrac{\cos n}{n};   (1)nlnn\;\sum \dfrac{(-1)^n}{\ln n};   (1)nn3/4+cosn\;\sum \dfrac{(-1)^n}{n^{3/4} + \cos n} (uraikan seperti pada jebakan Tahun ke-1: uji berselang-seling menuntut kemonotonan).

Solusi

Solusi Latihan 7.1.

cosnn\sum\frac{\cos n}{n}: uji Abel dengan an=1na_n = \frac1n dan bn=cosnb_n = \cos n, yang jumlah parsialnya terbatas (yakni bagian real sebuah jumlah geometri, seperti pada Contoh 7.4): jadi konvergen (tetapi tidak mutlak, lewat siasat cos2\cos^2 yang sama).

(1)nlnn\sum \frac{(-1)^n}{\ln n} (n2n \geq 2): lewat uji berselang-seling, 1lnn0\frac{1}{\ln n} \downarrow 0: jadi konvergen; tetapi tidak mutlak (sebab lnnn\ln n \leq n).

(1)nn3/4+cosn\sum \frac{(-1)^n}{n^{3/4} + \cos n}: uraikan,

(1)nn3/4+cosn=(1)nn3/411+cosnn3/4=(1)nn3/4(1)ncosnn3/2+O(1n9/4).\frac{(-1)^n}{n^{3/4} + \cos n} = \frac{(-1)^n}{n^{3/4}}\cdot \frac{1}{1 + \frac{\cos n}{n^{3/4}}} = \frac{(-1)^n}{n^{3/4}} - \frac{(-1)^n\cos n}{n^{3/2}} + O\Bigl(\frac{1}{n^{9/4}}\Bigr).

Deret pertamanya: berselang-seling, jadi konvergen. Deret keduanya: konvergen mutlak (pada skala 1n3/2\frac{1}{n^{3/2}}). Deret ketiganya: konvergen mutlak. Totalnya: konvergen.

Latihan 7.2

Buktikan bahwa untuk z<1\abs z < 1: n1nzn=z(1z)2\sum_{n\geq1} n z^{n} = \dfrac{z}{(1-z)^2}, lewat hasil kali Cauchy zn\sum z^n dengan dirinya sendiri.

Solusi

Solusi Latihan 7.2.

Hasil kali Cauchy m0zm\sum_{m\geq0} z^m dengan dirinya sendiri (keduanya konvergen mutlak untuk z<1\abs z < 1): koefisien diagonalnya ck=m=0k1=k+1c_k = \sum_{m=0}^{k} 1 = k + 1, sehingga

1(1z)2=k0(k+1)zk.\frac{1}{(1-z)^2} = \sum_{k\geq0} (k+1)z^k .

Setelah dikalikan zz lalu diindeks ulang: n1nzn=z(1z)2\sum_{n \geq 1} n z^n = \frac{z}{(1-z)^2}.

Latihan 7.3 ★★

(Lema bergaya Kronecker) Misalkan bn\sum b_n deret real yang konvergen. Buktikan, lewat penjumlahan Abel, bahwa 1nk=1nkbk0\dfrac{1}{n}\sum_{k=1}^{n} k\,b_k \to 0.

Solusi

Solusi Latihan 7.3.

Misalkan Bn=knbkBB_n = \sum_{k \leq n} b_k \to B. Penjumlahan Abel dengan ak=ka_k = k:

k=1nkbk=nBnk=1n1Bk1nk=1nkbk=Bn1nk=1n1Bk.\sum_{k=1}^{n} k\,b_k = n B_n - \sum_{k=1}^{n-1} B_k \quad\Longrightarrow\quad \frac1n \sum_{k=1}^{n} k b_k = B_n - \frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n-1} B_k .

Rata-rata Cesàro dari (Bk)(B_k) yang konvergen menuju limitnya BB (jilid Tahun ke-1), jadi ruas kanannya menuju BB=0B - B = 0.

Latihan 7.4 ★★

Telaahlah kekonvergenan sin(nθ)nα\sum \dfrac{\sin(n\theta)}{n^\alpha} (θR\theta \in \R, α>0\alpha > 0) — untuk (θ,α)(\theta, \alpha) yang mana ia konvergen mutlak, semi-konvergen, atau divergen?

Solusi

Solusi Latihan 7.4.

Jika θπZ\theta \in \pi\Z: semua sukunya nol — jadi konvergen secara sepele. Andaikan θπZ\theta \notin \pi\Z.

α>1\alpha > 1: konvergen mutlak (didominasi oleh nαn^{-\alpha}).

0<α10 < \alpha \leq 1: uji Abel berlaku (sebab an=nα0a_n = n^{-\alpha} \downarrow 0; dan jumlah parsial sinnθ\sin n\theta terbatas oleh 1sin(θ/2)\frac{1}{\abs{\sin(\theta/2)}} lewat jumlah geometri): jadi konvergen. Tidak mutlak: sebab sinnθsin2nθ=1cos2nθ2\abs{\sin n\theta} \geq \sin^2 n\theta = \frac{1 - \cos 2n\theta}{2}, dan 1cos2nθ2nα\sum \frac{1 - \cos 2n\theta}{2n^\alpha} divergen (karena nα\sum n^{-\alpha} divergen, sedangkan cos2nθnα\sum \frac{\cos 2n\theta}{n^\alpha} konvergen lewat Abel bila 2θ2πZ2\theta \notin 2\pi\Z; adapun kasus terkecuali 2θ2πZ2\theta \in 2\pi\Z berarti θπZ\theta \in \pi\Z, yang sudah ditangani). Jadi semi-konvergen.

Latihan 7.5 ★★★

(Penataan ulang Riemann) Misalkan un\sum u_n deret real yang konvergen tetapi tidak konvergen mutlak, dan R\ell \in \R. Buktikan bahwa suatu penataan ulang un\sum u_n konvergen ke \ell. (Tunjukkan kedua deret bagian berisi suku positif dan suku negatif sama-sama divergen; lalu berselang-selinglah secara rakus: ambil suku positif sampai melampaui \ell, lalu suku negatif sampai turun di bawahnya, dan seterusnya; sukunya menuju 00, sehingga kekonvergenannya ke \ell terpaksa terjadi.)

Solusi

Solusi Latihan 7.5.

Misalkan p1,p2,p_1, p_2, \dots suku tak negatif (un)(u_n) menurut urutannya, dan q1,q2,q_1, q_2, \dots suku negatifnya. Baik pk\sum p_k maupun qk\sum q_k divergen: sebab seandainya salah satunya konvergen, yang lain akan sama dengan un\sum u_n yang konvergen dikurangi ia, jadi konvergen pula — dan ketika itu un=pkqk\sum \abs{u_n} = \sum p_k - \sum q_k akan konvergen, yang bertentangan dengan hipotesisnya. Selain itu un0u_n \to 0 (sebab un\sum u_n konvergen).

Penataan ulang secara rakus: ambil suku positif p1,p2,p_1, p_2, \dots sampai total berjalannya pertama kali melampaui \ell (mungkin, sebab pk=+\sum p_k = +\infty); lalu suku negatif sampai totalnya pertama kali turun di bawah \ell (mungkin, sebab qk=\sum q_k = -\infty); ulangi selamanya (tiap tahapnya hingga, dan tiap suku terpakai tepat sekali: jadi sebuah penataan ulang yang sejati). Setelah tiap pergantian, jarak total berjalannya ke \ell paling banyak sebesar suku terakhir yang dipakai; dan karena suku yang dipakai pada pergantian ke-mm berindeks \to \infty, sedangkan un0u_n \to 0, total berjalannya konvergen ke \ell.

Latihan 7.6 ★★

Buktikan bahwa keluarga (xm+nm!n!)(m,n)N2\Bigl(\dfrac{x^{m+n}}{m!\,n!}\Bigr)_{(m,n)\in\N^2} terjumlahkan untuk setiap xRx \in \R, lalu turunkan kembali kesamaan (ex)2=e2x(\eu^x)^2 = \eu^{2x} dengan mengelompokkan jumlah gandanya sepanjang diagonal m+n=km + n = k.

Solusi

Solusi Latihan 7.6.

Keterjumlahannya: jumlah parsial hingga xm+nm!n!\frac{\abs x^{m+n}}{m!n!} terbatas oleh (mxmm!)2=e2x\bigl(\sum_m \frac{\abs x^m}{m!}\bigr)^2 = \eu^{2\abs x}. Pengelompokan diagonal (Teorema 7.14) memberi

(ex)2=m,nxm+nm!n!=k=0xkm+n=k1m!n!=kxkk!m=0k(km)=k(2x)kk!=e2x.(\eu^{x})^2 = \sum_{m,n} \frac{x^{m+n}}{m!\,n!} = \sum_{k=0}^{\infty} x^k \sum_{m+n=k} \frac{1}{m!\,n!} = \sum_k \frac{x^k}{k!}\sum_{m=0}^{k}\binom km = \sum_k \frac{(2x)^k}{k!} = \eu^{2x} .

Latihan 7.7 ★★

Buktikan bahwa keluarga (1m2n2)m,n1\bigl(\frac{1}{m^2 n^2}\bigr)_{m,n \geq 1} terjumlahkan, dan bahwa pengelompokan menurut gcd\gcd, dengan q=gcd(m,n)q = \gcd(m,n),

ζ(2)2=q11q4a,b1gcd(a,b)=11a2b2=ζ(4)S,\zeta(2)^2 = \sum_{q\geq1} \frac{1}{q^4} \sum_{\substack{a,b \geq 1\\ \gcd(a,b)=1}} \frac{1}{a^2b^2} = \zeta(4) \cdot S,

dengan S=gcd(a,b)=11a2b2S = \sum_{\gcd(a,b)=1} \frac{1}{a^2b^2}: lalu turunkan S=ζ(2)2/ζ(4)S = \zeta(2)^2/\zeta(4). (Setiap pasangan (m,n)(m,n) tertulis secara tunggal sebagai (qa,qb)(qa, qb) dengan gcd(a,b)=1\gcd(a,b) = 1.)

Solusi

Solusi Latihan 7.7.

Keterjumlahannya: terbatas oleh ζ(2)2\zeta(2)^2 sebagai keluarga hasil kali (lewat hujah hasil kali Cauchy pada Teorema 7.14). Pemetaan (q,a,b)(qa,qb)(q, a, b) \mapsto (qa, qb), dari tripel dengan gcd(a,b)=1\gcd(a, b) = 1 ke pasangan (m,n)(m, n), merupakan bijeksi (ambil q=gcd(m,n)q = \gcd(m,n)). Setelah keluarga terjumlahkan itu dikelompokkan demikian (yakni sebuah pemilahan himpunan indeksnya — yang sah bagi keluarga terjumlahkan menurut Teorema 7.11/Teorema 7.14 yang diterapkan pada pemilahan menjadi terbilang banyak kelas):

ζ(2)2=qgcd(a,b)=11q4a2b2=ζ(4)S,jadiS=ζ(2)2ζ(4).\zeta(2)^2 = \sum_{q} \sum_{\gcd(a,b)=1} \frac{1}{q^4 a^2 b^2} = \zeta(4)\, S, \qquad\text{jadi}\qquad S = \frac{\zeta(2)^2}{\zeta(4)} .

(Dengan nilai ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}{6} dan ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90} dari Bab 14: S=52S = \frac{5}{2}.)

Latihan 7.8 ★★★

(Teorema Abel tentang hasil kali, versi ringan) Andaikan an\sum a_n konvergen mutlak dan bn\sum b_n konvergen. Buktikan bahwa hasil kali Cauchy keduanya cn\sum c_n konvergen, dengan cn=(an)(bn)\sum c_n = (\sum a_n)(\sum b_n). (Tulis CN=kNck=nanBNnC_N = \sum_{k\leq N} c_k = \sum_n a_n B_{N-n} dengan BB menyatakan jumlah parsial bb; lalu pecah menurut nN/2n \leq N/2 atau tidak, dengan memakai keterbatasan (Bm)(B_m) dan ekor mutlak (an)(a_n).)

Solusi

Solusi Latihan 7.8.

Misalkan A=anA = \sum a_n (yang mutlak), Bm=kmbkBB_m = \sum_{k\leq m} b_k \to B, yang terbatas oleh MM. Maka

CN=k=0Nck=n=0NanBNnC_N = \sum_{k=0}^{N} c_k = \sum_{n=0}^{N} a_n B_{N-n}

(kumpulkan menurut indeks aa). Tulislah

CNAB=n=0Nan(BNnB)Bn>Nan.C_N - AB = \sum_{n=0}^{N} a_n (B_{N-n} - B) - B\sum_{n > N} a_n .

Suku terakhirnya menuju 00. Pecahlah jumlahnya di n=N/2n = \lfloor N/2 \rfloor: untuk nN/2n \leq N/2 berlaku NnN/2N - n \geq N/2, jadi BNnBεN:=supmN/2BmB0\abs{B_{N-n} - B} \leq \varepsilon_N := \sup_{m \geq N/2}\abs{B_m - B} \to 0, sehingga bagian ini εNan\leq \varepsilon_N \sum\abs{a_n}; sedangkan untuk n>N/2n > N/2 berlaku BNnB2M\abs{B_{N-n} - B} \leq 2M, sehingga bagian ini 2Mn>N/2an0\leq 2M \sum_{n > N/2} \abs{a_n} \to 0. Karenanya CNABC_N \to AB.

Latihan 7.9 ★★★

Pada ruang EE (yang tidak lengkap) berisi barisan real yang akhirnya nol dengan norma supremum, tunjukkanlah sebuah deret yang konvergen mutlak tetapi tidak konvergen di EE. (Cobalah un=2nenu_n = 2^{-n} e_n dengan (en)(e_n) menyatakan barisan kanoniknya.)

Solusi

Solusi Latihan 7.9.

Ambil un=2nenu_n = 2^{-n} e_n (dengan ene_n menyatakan barisan yang bernilai 11 tunggal pada kedudukan nn). Maka un=2n<\sum \norm{u_n}_\infty = \sum 2^{-n} < \infty: jadi konvergen mutlak. Namun jumlah parsialnya SN=(1,12,,2N,0,)S_N = (1, \tfrac12, \dots, 2^{-N}, 0, \dots) mestinya konvergen ke barisan (2n)n(2^{-n})_n, yang tidak akhirnya nol: jadi di luar EE. Di dalam EE, barisan (SN)(S_N) bersifat Cauchy tanpa limit (sebab SNx2N1\norm{S_N - x}_\infty \geq 2^{-N-1} tak menolong satu pun xx yang akhirnya nol: untuk sembarang xEx \in E yang nol melampaui peringkat KK, berlaku SNx2K1\norm{S_N - x} \geq 2^{-K-1} bila N>KN > K): jadi deretnya tidak konvergen di EE. Kelengkapan persis itulah yang diperlukan Teorema 5.21.

Latihan 7.10 ★★

Periksalah kesamaan arctan(n+1)arctan(n)=arctan1n2+n+1\arctan(n+1) - \arctan(n) = \arctan\dfrac{1}{n^2 + n + 1}, lalu turunkan nilai eksak

n=1arctan1n2+n+1.\sum_{n=1}^{\infty} \arctan\frac{1}{n^2 + n + 1} .
Solusi

Solusi Latihan 7.10.

Baik arctan(n+1)arctann\arctan(n+1) - \arctan n maupun arctan1n2+n+1\arctan\frac{1}{n^2+n+1} berada di (0,π2)\intoo{0}{\frac\pi2}, dan rumus penjumlahan tangen memberi

tan(arctan(n+1)arctann)=(n+1)n1+n(n+1)=1n2+n+1:\tan\bigl(\arctan(n{+}1) - \arctan n\bigr) = \frac{(n+1) - n}{1 + n(n+1)} = \frac{1}{n^2 + n + 1} :

jadi tangennya sama pada interval tempat tan\tan injektif, sehingga kesamaannya berlaku. Setelah diteleskopkan,

n=1Narctan1n2+n+1=arctan(N+1)arctan1Nπ2π4=π4.\sum_{n=1}^{N}\arctan\frac{1}{n^2+n+1} = \arctan(N{+}1) - \arctan 1 \xrightarrow[N\to\infty]{} \frac\pi2 - \frac\pi4 = \frac\pi4 .

Latihan 7.11 ★★

Tentukan sifatnya (beserta yang setara) bagi

n(n+1n)α (α>0),n(1cos1n),n(e(1+1n) ⁣n).\sum_n \bigl(\sqrt{n+1} - \sqrt n\bigr)^{\alpha} \ (\alpha > 0), \qquad \sum_n \Bigl(1 - \cos\frac1n\Bigr), \qquad \sum_n \Bigl(\eu - \Bigl(1 + \frac1n\Bigr)^{\!n}\Bigr).
Solusi

Solusi Latihan 7.11.

Yang pertama: n+1n=1n+1+n12n\sqrt{n+1} - \sqrt n = \frac{1}{\sqrt{n+1} + \sqrt n} \sim \frac{1}{2\sqrt n}, jadi sukunya 2αnα/2\sim 2^{-\alpha}n^{-\alpha/2}: konvergen bila dan hanya bila α2>1\frac\alpha2 > 1, yakni α>2\alpha > 2. Yang kedua: 1cos1n12n21 - \cos\frac1n \sim \frac{1}{2n^2}: jadi konvergen. Yang ketiga: (1+1n)n=enln(1+1/n)=e112n+O(n2)=e(112n+O(n2))\bigl(1 + \frac1n\bigr)^n = \eu^{\,n\ln(1 + 1/n)} = \eu^{\,1 - \frac1{2n} + O(n^{-2})} = \eu\bigl(1 - \frac{1}{2n} + O(n^{-2})\bigr), sehingga

e(1+1n) ⁣ne2n:\eu - \Bigl(1 + \frac1n\Bigr)^{\!n} \sim \frac{\eu}{2n} :

sukunya positif dan setara dengan kelipatan harmonik: jadi divergen.

Latihan 7.12 ★★★

Misalkan (an)(a_n) positif dan turun dengan an\sum a_n konvergen. Buktikan bahwa nan0n\,a_n \to 0 (batasi na2nn a_{2n} oleh sebuah ekor). Tunjukkan bahwa konversnya gagal, dan bahwa kemonotonannya penting, beserta contoh penyangkal yang gamblang.

Solusi

Solusi Latihan 7.12.

Berkat kemonotonannya, na2nan+1+an+2++a2n=S2nSn0n\,a_{2n} \leq a_{n+1} + a_{n+2} + \dots + a_{2n} = S_{2n} - S_n \to 0 (lewat kriteria Cauchy bagi deret yang konvergen). Karenanya 2na2n02n\,a_{2n} \to 0, dan (2n+1)a2n+1(2n+1)a2n=2n+12n(2na2n)0(2n{+}1)\, a_{2n+1} \leq (2n{+}1)a_{2n} = \frac{2n+1}{2n}\,(2n\,a_{2n}) \to 0: jadi kedua barisan bagian (nan)(na_n) menuju 00, sehingga nan0na_n \to 0.

Konversnya gagal: an=1nlnna_n = \frac1{n\ln n} positif dan turun dengan nan=1lnn0na_n = \frac1{\ln n} \to 0, namun an\sum a_n divergen (yakni perbatasan Bertrand, Soal 7.1, pertanyaan 18). Kemonotonannya penting: ambil an=1na_n = \frac1n bila nn berupa pangkat 22 dan an=2na_n = 2^{-n} bila bukan: maka ank2k+n2n<\sum a_n \leq \sum_k 2^{-k} + \sum_n 2^{-n} < \infty, tetapi nan=1na_n = 1 sepanjang pangkat 22: jadi nan↛0na_n \not\to 0.

7.5 Soal: ζ(2)=π2/6\zeta(2) = \pi^2/6 milik Euler, lewat Jumlah Kotangen Cauchy

Kesamaan Euler yang paling masyhur, 1+14+19+=π261 + \frac14 + \frac19 + \cdots = \frac{\pi^2}6, menerima bukti yang sepenuhnya dasar, karya Cauchy: rumus de Moivre menghasilkan polinomial yang akarnya adalah bilangan cot2kπ2n+1\cot^2\frac{k\pi}{2n+1}, Vieta menjumlahkan akar itu secara eksak, lalu apitan cot2θ<1θ2<1+cot2θ\cot^2\theta < \frac{1}{\theta^2} < 1 + \cot^2\theta meremukkan jumlah parsial 1k2\sum\frac1{k^2} di antara dua batas rasional yang gamblang. Kita jalankan buktinya selengkapnya, lalu sarikan ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90} dengan metode yang sama, lalu petakan seluruh perbatasan antara kekonvergenan dan kedivergenan lewat deret Bertrand — dan buktikan bahwa perbatasan itu sama sekali tak mengusung deret konvergen yang paling lambat.

Soal 7.1

Soal akhir pekan — ζ(2)=π2/6\zeta(2) = \pi^2/6 dan panorama Bertrand

Di sepanjang soal ini, n1n \geq 1 dan θk=kπ2n+1\theta_k = \dfrac{k\pi}{2n+1} untuk k=1,,nk = 1, \dots, n; perhatikan 0<θk<π20 < \theta_k < \frac\pi2.

Bagian I — Kesamaan kotangen.

  1. Buktikan rumus de Moivre (cosθ+isinθ)m=cosmθ+isinmθ(\cos\theta + \iu\sin\theta)^m = \cos m\theta + \iu\sin m\theta (mNm \in \N), lalu turunkan, untuk m=2n+1m = 2n + 1,

    sin((2n+1)θ)=j=0n(1)j(2n+12j+1)cos2(nj)θsin2j+1θ.\sin\bigl((2n{+}1)\theta\bigr) = \sum_{j=0}^{n} (-1)^j\binom{2n+1}{2j+1}\cos^{2(n-j)}\theta\, \sin^{2j+1}\theta .
  2. Turunkan bahwa untuk θ(0,π2)\theta \in \intoo{0}{\frac\pi2},

    sin((2n+1)θ)=sin2n+1θ  Pn(cot2θ),Pn(x)=j=0n(1)j(2n+12j+1)xnj,\sin\bigl((2n{+}1)\theta\bigr) = \sin^{2n+1}\theta\; P_n(\cot^2\theta), \qquad P_n(x) = \sum_{j=0}^{n} (-1)^j\binom{2n+1}{2j+1}x^{\,n-j},

    yakni polinomial berderajat nn dengan koefisien utama 2n+12n + 1.

  3. Tunjukkan bahwa xk=cot2θkx_k = \cot^2\theta_k, k=1,,nk = 1, \dots, n, merupakan nn akar PnP_n yang berbeda — jadi seluruh akarnya.
  4. Lewat Vieta, buktikan kesamaan eksak

    k=1ncot2kπ2n+1=n(2n1)3.\sum_{k=1}^{n} \cot^2\frac{k\pi}{2n+1} = \frac{n(2n-1)}{3}.
  5. Turunkan pula k=1n1sin2θk=2n(n+1)3\displaystyle\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\sin^2\theta_k} = \frac{2n(n+1)}{3}.
  6. Buktikan apitannya: cot2θ<1θ2<1sin2θ\cot^2\theta < \dfrac1{\theta^2} < \dfrac{1}{\sin^2\theta} untuk θ(0,π2)\theta \in \intoo{0}{\frac\pi2} (dari sinθ<θ<tanθ\sin\theta < \theta < \tan\theta).

Bagian II — Apitannya menutup: teorema Euler.

  1. Dengan menjumlahkan pertanyaan 6 atas k=1,,nk = 1, \dots, n pada θ=θk\theta = \theta_k, tegakkan

    n(2n1)3  <  (2n+1)2π2k=1n1k2  <  2n(n+1)3.\frac{n(2n-1)}{3} \;<\; \frac{(2n+1)^2}{\pi^2}\sum_{k=1}^{n}\frac1{k^2} \;<\; \frac{2n(n+1)}{3}.
  2. Simpulkan (teorema Euler, lewat bukti Cauchy):

    ζ(2)=k=11k2=π26.\zeta(2) = \sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^2} = \frac{\pi^2}{6}.
  3. Sarikan lajunya dari apitan itu: tunjukkan

    k=1n1k2π26=O(1n),\Bigl|\sum_{k=1}^{n}\frac1{k^2} - \frac{\pi^2}6\Bigr| = O\Bigl(\frac1n\Bigr),

    yang selaras dengan ekor eksak k>nk2=1n12n2+O(n3)\sum_{k>n}k^{-2} = \frac1n - \frac{1}{2n^2} + O(n^{-3}) pada Latihan 6.11.

  4. Jalankan mesinnya satu lantai lebih tinggi: dengan memakai fungsi Vieta kedua bagi PnP_n, tunjukkan

    k=1ncot4θk=(n(2n1)3) ⁣22n(2n1)(2n2)(2n3)60    8n445,\sum_{k=1}^{n}\cot^4\theta_k = \Bigl(\frac{n(2n-1)}3\Bigr)^{\!2} - \frac{2n(2n-1)(2n-2)(2n-3)}{60} \;\sim\; \frac{8n^4}{45},

    lalu apitlah dengan cot4<θ4<(1+cot2)2\cot^4 < \theta^{-4} < (1 + \cot^2)^2 untuk memperoleh ζ(4)=π490\zeta(4) = \dfrac{\pi^4}{90}.

Bagian III — Panennya.

  1. Turunkan dari ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6:

    k01(2k+1)2=π28,k1(1)k1k2=π212.\sum_{k\geq0}\frac{1}{(2k+1)^2} = \frac{\pi^2}{8}, \qquad \sum_{k\geq1}\frac{(-1)^{k-1}}{k^2} = \frac{\pi^2}{12}.
  2. Padukan dengan Latihan 7.7: hitunglah S=gcd(a,b)=11a2b2=ζ(2)2ζ(4)=52S = \sum_{\gcd(a,b)=1}\frac{1}{a^2b^2} = \frac{\zeta(2)^2}{\zeta(4)} = \frac52, lalu tafsirkan 1ζ(2)=6π20.608\frac{1}{\zeta(2)} = \frac{6}{\pi^2} \approx 0.608 sebagai kerapatan pasangan yang saling prima (nyatakan heuristiknya secara jujur: pencacahan yang cermat adalah urusan jilid Tahun ke-3).
  3. (Percepatan yang tersahkan) Rumus ekor pada pertanyaan 9 memberi knk2+1n12n2=π26+O(n3)\sum_{k\leq n}k^{-2} + \frac1n - \frac1{2n^2} = \frac{\pi^2}6 + O(n^{-3}). Bandingkan kerja yang diperlukan untuk enam angka ζ(2)\zeta(2): penjumlahan langsung lawan jumlah terkoreksi di n=100n = 100 (tempat galatnya 1.71071.7\cdot10^{-7}).
  4. Periksalah pertanyaan 4 dengan tangan di n=1n = 1 dan n=2n = 2 (yakni nilai cot2π3=13\cot^2\frac\pi3 = \frac13 dan cot2π5+cot22π5=2\cot^2\frac\pi5 + \cot^2\frac{2\pi}5 = 2), dengan memakai cosπ5=1+54\cos\frac\pi5 = \frac{1+\sqrt5}4 atau penilaian numerik.
  5. Buktikan kesamaan pendampingnya

    k=1ntan2kπ2n+1=n(2n+1)\sum_{k=1}^{n}\tan^2\frac{k\pi}{2n+1} = n(2n+1)

    (sebab bilangan tan2θk\tan^2\theta_k adalah akar polinomial terbalik xnPn(1/x)x^nP_n(1/x)), lalu periksalah di n=1n = 1.

Bagian IV — Panorama Bertrand. Untuk α,βR\alpha, \beta \in \R, tinjaulah deret Bertrand

n31nα(lnn)β.\sum_{n \geq 3} \frac{1}{n^{\alpha}(\ln n)^{\beta}} .
  1. Tunjukkan bahwa untuk α>1\alpha > 1 deretnya konvergen, berapa pun β\beta (bandingkan dengan n(1+α)/2n^{-(1+\alpha)/2}).
  2. Tunjukkan bahwa untuk α<1\alpha < 1 ia divergen, berapa pun β\beta.
  3. Untuk α=1\alpha = 1: dengan memakai perbandingan deret dengan integral (Teorema 6.6) pada f(t)=1t(lnt)βf(t) = \frac{1}{t(\ln t)^\beta}, buktikan bahwa ia konvergen bila dan hanya bila β>1\beta > 1.
  4. Iterasikan perbatasannya: tunjukkan 1nlnnlnlnn\sum\frac{1}{n\ln n\,\ln\ln n} divergen sedangkan 1nlnn(lnlnn)2\sum\frac{1}{n\ln n\,(\ln\ln n)^2} konvergen.
  5. Dua jebakan: tentukan sifat

    n1n1+1/lnndann1n1+1/lnlnn\sum_n \frac{1}{n^{1 + 1/\ln n}} \qquad\text{dan}\qquad \sum_n \frac{1}{n^{1 + 1/\ln\ln n}}

    (hitunglah n1/lnnn^{1/\ln n} secara eksak; lalu bandingkan n1/lnlnnn^{1/\ln\ln n} dengan setiap pangkat lnn\ln n).

  6. (Tak ada deret konvergen yang paling lambat) Misalkan an\sum a_n deret konvergen apa pun dengan an>0a_n > 0, dan Rn=knakR_n = \sum_{k \geq n}a_k ekornya. Buktikan bahwa anRn\sum \frac{a_n}{\sqrt{R_n}} tetap konvergen (bandingkan dengan teleskop 2(RnRn+1)2(\sqrt{R_n} - \sqrt{R_{n+1}})), walaupun an/Rnan\frac{a_n/\sqrt{R_n}}{a_n} \to \infty: jadi setiap deret konvergen didominasi tegas oleh deret konvergen yang lain. Perbatasan kekonvergenannya bukan sebuah kurva, melainkan kabut.

Bagian V — Pemeriksaan silang dan rangkuman.

  1. (Kondensasi Cauchy) Buktikan: untuk (an)(a_n) yang positif dan turun, an\sum a_n konvergen bila dan hanya bila 2ka2k\sum 2^k a_{2^k} konvergen. Lalu turunkan kembali perbatasan pertanyaan 18 dari situ.
  2. (Ongkos kelambanan) Untuk 1n(lnn)2\sum\frac1{n(\ln n)^2}, batasilah ekornya oleh sebuah integral lalu tunjukkan bahwa menjumlahkannya sampai N=106N = 10^6 masih menyisakan galat yang lebih besar daripada 0.070.07: jadi kekonvergenan yang disahkan teori dapat tak berguna bagi numerik — bandingkan dengan pertanyaan 13.
  3. Golongkanlah (beserta pembenaran satu baris): 1nlnn\sum\frac1{n\ln n}, 1n1.01\sum\frac1{n^{1.01}}, (lnn)100n1.001\sum\frac{(\ln n)^{100}}{n^{1.001}}, dan 1n(lnn)(lnlnn)3\sum\frac1{n(\ln n)(\ln\ln n)^{3}}.
  4. (Rangkuman) Satu kalimat untuk masing-masing: bagaimana de Moivre mengubah kesamaan trigonometri menjadi polinomial yang jumlah akarnya terhitungkan; di mana apitannya memerlukan kesamaan eksak di ujungnya, bukan sekadar yang setara; perkakas Bab 6 yang mana yang menggerakkan Bagian IV; dan apa yang dikatakan pertanyaan 21 tentang impian adanya “uji perbandingan semesta”. Sebutkan kedua puncaknya: ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6 milik Euler (beserta lantai di atasnya, ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90}), dan penggolongan Bertrand. Catat pula di mana ζ(2)\zeta(2) akan dibuktikan sekali lagi: lewat Parseval pada Bab 14 — satu teorema, dua peradaban.
Solusi

Solusi Soal 7.1.

1. Induksi pada mm: untuk m=0m = 0 kedua ruasnya 11; lalu langkahnya mengalikan dengan cosθ+isinθ\cos\theta + \iu\sin\theta dan memakai rumus penjumlahan cos(mθ+θ)=cosmθcosθsinmθsinθ\cos(m\theta + \theta) = \cos m\theta\cos\theta - \sin m\theta\sin\theta serta sin(mθ+θ)=sinmθcosθ+cosmθsinθ\sin(m\theta + \theta) = \sin m\theta\cos\theta + \cos m\theta\sin\theta. Sebagai gantinya, menguraikannya lewat teorema binomial dengan m=2n+1m = 2n+1 lalu mengumpulkan bagian imajinernya (yakni pangkat ganjil isinθ\iu\sin\theta, dengan i2j+1=(1)ji\iu^{2j+1} = (-1)^j\iu) memberi

sin((2n+1)θ)=j=0n(1)j(2n+12j+1)cos2(nj)θsin2j+1θ.\sin\bigl((2n{+}1)\theta\bigr) = \sum_{j=0}^{n}(-1)^j \binom{2n+1}{2j+1}\cos^{2(n-j)}\theta\,\sin^{2j+1}\theta .

2. Pada (0,π2)\intoo0{\frac\pi2} berlaku sinθ0\sin\theta \neq 0: keluarkan faktor sin2n+1θ\sin^{2n+1}\theta dari tiap sukunya, sehingga tersisa (cos2θsin2θ)nj=(cot2θ)nj\bigl(\frac{\cos^2\theta}{\sin^2\theta}\bigr)^{n-j} = (\cot^2\theta)^{n-j}: yakni kesamaan yang tertulis tadi dengan Pn(x)=j(1)j(2n+12j+1)xnjP_n(x) = \sum_j(-1)^j\binom{2n+1}{2j+1}x^{n-j}. Koefisien berderajat nn-nya berasal dari j=0j = 0, yaitu (2n+11)=2n+10\binom{2n+1}{1} = 2n + 1 \neq 0.

3. Di θk=kπ2n+1\theta_k = \frac{k\pi}{2n+1}: sin((2n+1)θk)=sinkπ=0\sin\bigl((2n{+}1)\theta_k\bigr) = \sin k\pi = 0 sedangkan sin2n+1θk0\sin^{2n+1}\theta_k \neq 0, jadi Pn(cot2θk)=0P_n(\cot^2\theta_k) = 0. Nilai θk\theta_k naik tegas di (0,π2)\intoo0{\frac\pi2}, tempat cot2\cot^2 turun tegas: jadi nilai xk=cot2θkx_k = \cot^2\theta_k berbeda sepasang demi sepasang — yakni nn akar berbeda bagi polinomial berderajat nn, sehingga itulah seluruh akarnya.

4. Menurut Vieta, jumlah akarnya adalah negatif rasio koefisien xn1x^{n-1} terhadap koefisien xnx^n:

k=1ncot2θk=(2n+13)(2n+11)=(2n+1)(2n)(2n1)/62n+1=n(2n1)3.\sum_{k=1}^{n}\cot^2\theta_k = \frac{\binom{2n+1}{3}}{\binom{2n+1}{1}} = \frac{(2n+1)(2n)(2n-1)/6}{2n+1} = \frac{n(2n-1)}{3}.

5. Karena 1sin2θ=1+cot2θ\frac{1}{\sin^2\theta} = 1 + \cot^2\theta, setelah dijumlahkan diperoleh n+n(2n1)3=3n+2n2n3=2n(n+1)3n + \frac{n(2n-1)}3 = \frac{3n + 2n^2 - n}{3} = \frac{2n(n+1)}{3}.

6. Pada (0,π2)\intoo{0}{\frac\pi2}: sinθ<θ<tanθ\sin\theta < \theta < \tan\theta (jilid Tahun ke-1). Mengambil kebalikannya membalik urutannya: cotθ<1θ<1sinθ\cot\theta < \frac1\theta < \frac1{\sin\theta}, lalu mengkuadratkannya (semuanya positif) memberi cot2θ<1θ2<1sin2θ\cot^2\theta < \frac1{\theta^2} < \frac1{\sin^2\theta}.

7. Jumlahkan pertanyaan 6 di θ=θk\theta = \theta_k atas knk \leq n, dengan memakai pertanyaan 4 dan 5, serta 1θk2=(2n+1)2k2π2\frac1{\theta_k^2} = \frac{(2n+1)^2}{k^2\pi^2}:

n(2n1)3<(2n+1)2π2k=1n1k2<2n(n+1)3.\frac{n(2n-1)}3 < \frac{(2n+1)^2}{\pi^2}\sum_{k=1}^n\frac1{k^2} < \frac{2n(n+1)}3 .

8. Kalikan dengan π2(2n+1)2\frac{\pi^2}{(2n+1)^2}:

π23n(2n1)(2n+1)2<k=1n1k2<π232n(n+1)(2n+1)2.\frac{\pi^2}{3}\cdot\frac{n(2n-1)}{(2n+1)^2} < \sum_{k=1}^{n}\frac1{k^2} < \frac{\pi^2}{3}\cdot\frac{2n(n+1)}{(2n+1)^2}.

Kedua batasnya menuju π2312=π26\frac{\pi^2}3\cdot\frac12 = \frac{\pi^2}6 (sebab pecahan rasionalnya menuju 12\frac12). Jumlah parsialnya naik, jadi ia konvergen, dan apitannya memberi ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6: itulah teorema Euler, lewat bukti Cauchy.

9. Jumlah parsialnya naik ke ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6, jadi 0π26knk20 \leq \frac{\pi^2}6 - \sum_{k\leq n}k^{-2}; lalu batas bawah pada pertanyaan 8 memberi

π26kn1k2π26π23n(2n1)(2n+1)2=π26(2n+1)2(4n22n)(2n+1)2=π266n+1(2n+1)2=O(1n),\frac{\pi^2}6 - \sum_{k\leq n}\frac1{k^2} \leq \frac{\pi^2}6 - \frac{\pi^2}3\cdot\frac{n(2n-1)}{(2n+1)^2} = \frac{\pi^2}6\cdot\frac{(2n+1)^2 - (4n^2 - 2n)}{(2n+1)^2} = \frac{\pi^2}6\cdot\frac{6n + 1}{(2n+1)^2} = O\Bigl(\frac1n\Bigr),

yang cocok dengan ekor eksak 1n12n2+O(n3)\frac1n - \frac1{2n^2} + O(n^{-3}) pada Latihan 6.11.

10. Fungsi simetrik elementer kedua atas akarnya adalah σ2=(2n+15)(2n+11)=(2n)(2n1)(2n2)(2n3)120\sigma_2 = \frac{\binom{2n+1}5}{\binom{2n+1}1} = \frac{(2n)(2n-1)(2n-2)(2n-3)}{120}, sehingga

kcot4θk=σ122σ2=(n(2n1)3)22n(2n1)(2n2)(2n3)604n494n415=8n445.\sum_k\cot^4\theta_k = \sigma_1^2 - 2\sigma_2 = \Bigl(\frac{n(2n-1)}3\Bigr)^2 - \frac{2n(2n-1)(2n-2)(2n-3)}{60} \sim \frac{4n^4}9 - \frac{4n^4}{15} = \frac{8n^4}{45}.

Setelah cot4θ<θ4<(1+cot2θ)2=1+2cot2θ+cot4θ\cot^4\theta < \theta^{-4} < (1 + \cot^2\theta)^2 = 1 + 2\cot^2\theta + \cot^4\theta diapit lalu dijumlahkan: kedua jumlah luarnya bernilai 8n445(1+o(1))\frac{8n^4}{45}(1 + o(1)) (sebab tambahan n+2σ1=O(n2)n + 2\sigma_1 = O(n^2) terabaikan), sedangkan jumlah tengahnya adalah (2n+1)4π4knk4\frac{(2n+1)^4}{\pi^4}\sum_{k\leq n}k^{-4}. Karenanya

kn1k4π48/4516=π490.\sum_{k\leq n}\frac1{k^4} \longrightarrow \pi^4\cdot\frac{8/45}{16} = \frac{\pi^4}{90}.

11. Setelah ζ(2)\zeta(2) dipecah menurut paritasnya: genap=j1(2j)2=14ζ(2)=π224\sum_{\text{genap}} = \sum_j\frac{1}{(2j)^2} = \frac14\zeta(2) = \frac{\pi^2}{24}, jadi ganjil=ζ(2)π224=π28\sum_{\text{ganjil}} = \zeta(2) - \frac{\pi^2}{24} = \frac{\pi^2}8. Untuk yang berselang-seling: k(1)k1k2=ganjilgenap=π28π224=π212\sum_k\frac{(-1)^{k-1}}{k^2} = \sum_{\text{ganjil}} - \sum_{\text{genap}} = \frac{\pi^2}8 - \frac{\pi^2}{24} = \frac{\pi^2}{12} (dan kekonvergenan mutlaknya mengesahkan pengelompokan ulang itu, Teorema 7.11).

12. S=ζ(2)2ζ(4)=(π2/6)2π4/90=9036=52S = \frac{\zeta(2)^2}{\zeta(4)} = \frac{(\pi^2/6)^2}{\pi^4/90} = \frac{90}{36} = \frac52. Heuristiknya: kesamaan ζ(2)2=ζ(4)S\zeta(2)^2 = \zeta(4)S pada Latihan 7.7 mengatakan bahwa mengeluarkan gcd\gcd menormalkan ulang pasangannya menjadi pasangan yang saling prima; lalu kebalikannya 1ζ(2)=6π20.608\frac1{\zeta(2)} = \frac6{\pi^2} \approx 0.608 menjadi calon alami bagi kerapatan pasangan saling prima di antara semua pasangan — yakni pernyataan tentang limN1N2#{(m,n)N:gcd=1}\lim_N \frac{1}{N^2}\#\{(m,n) \leq N : \gcd = 1\} yang bukti jujurnya (lengkap dengan suku galatnya) menjadi bagian jilid Tahun ke-3.

13. Penjumlahan langsung bergalat 1n\sim \frac1n: jadi enam angka menuntut sekitar 10610^6 suku. Sedangkan jumlah terkoreksi knk2+1n12n2\sum_{k\leq n}k^{-2} + \frac1n - \frac1{2n^2} bergalat O(n3)O(n^{-3}): di n=100n = 100 ia sama dengan 1.64493391.6449339\dots terhadap π26=1.6449341\frac{\pi^2}6 = 1.6449341\dots — galatnya 1.71071.7\cdot10^{-7}, yakni tujuh angka dari seratus suku. Jadi koreksi asimtotik mengalahkan kesabaran mentah sejauh empat orde besaran.

14. Untuk n=1n = 1: P1(x)=3x1P_1(x) = 3x - 1, dengan akar 13\frac13, dan memang cot2π3=(13)2=13=113\cot^2\frac\pi3 = \bigl(\frac1{\sqrt3}\bigr)^2 = \frac13 = \frac{1\cdot1}3. Untuk n=2n = 2: rumusnya meramalkan 233=2\frac{2\cdot3}3 = 2; lalu dengan cosπ5=1+54\cos\frac\pi5 = \frac{1 + \sqrt5}{4} terhitung cot2361.894\cot^2 36^\circ \approx 1.894 dan cot2720.106\cot^2 72^\circ \approx 0.106: jumlahnya 2.0002.000.

15. Bilangan tan2θk=1xk\tan^2\theta_k = \frac1{x_k} merupakan akar Q(x)=xnPn(1x)=j=0n(1)j(2n+12j+1)xjQ(x) = x^nP_n\bigl(\frac1x\bigr) = \sum_{j=0}^n(-1)^j\binom{2n+1}{2j+1}x^j (sebab xkx_k tak nol). Vieta pada QQ: koefisien utamanya (1)n(-1)^n (dari suku j=nj = n), koefisien berikutnya (1)n1(2n+12n1)=(1)n1(2n+12)(-1)^{n-1}\binom{2n+1}{2n-1} = (-1)^{n-1}\binom{2n+1}{2}, sehingga

k=1ntan2θk=(1)n1(2n+12)(1)n=(2n+12)22n+12n+12=n(2n+1).\sum_{k=1}^n\tan^2\theta_k = -\frac{(-1)^{n-1}\binom{2n+1}2}{(-1)^n} = \binom{2n+1}2\cdot \frac{2}{2n+1}\cdot\frac{2n+1}{2} = n(2n+1).

Periksa n=1n = 1: tan2π3=3=13\tan^2\frac\pi3 = 3 = 1\cdot3.

16. Misalkan γ=1+α2(1,α)\gamma = \frac{1+\alpha}2 \in \intoo{1}{\alpha}. Maka nα(lnn)βnγ=nγα(lnn)β0\frac{n^{-\alpha}(\ln n)^{-\beta}}{n^{-\gamma}} = n^{\gamma - \alpha}(\ln n)^{-\beta} \to 0 (sebab pangkat negatif nn mengalahkan pangkat berapa pun dari lnn\ln n), jadi akhirnya sukunya nγ\leq n^{-\gamma} dengan γ>1\gamma > 1: sehingga konvergen lewat pembandingan dengan deret Riemann.

17. Misalkan γ=1+α2(α,1)\gamma = \frac{1+\alpha}2 \in \intoo{\alpha}{1}: kini nγnα(lnn)β=nαγ(lnn)β0\frac{n^{-\gamma}}{n^{-\alpha}(\ln n)^{-\beta}} = n^{\alpha-\gamma}(\ln n)^{\beta} \to 0, jadi akhirnya sukunya nγ\geq n^{-\gamma} dengan γ<1\gamma < 1: sehingga divergen.

18. Fungsi f(t)=1t(lnt)βf(t) = \frac1{t(\ln t)^\beta} bersifat positif, kontinu, dan turun untuk tt yang besar (sebab logaritmanya berturunan 1t(1+βlnt)<0-\frac1t\bigl(1 + \frac{\beta}{\ln t}\bigr) < 0 pada akhirnya). Antiturunannya: untuk β1\beta \neq 1, xf=(lnx)1β1β+tetapan\int^x f = \frac{(\ln x)^{1-\beta}}{1-\beta} + \text{tetapan}, yang punya limit hingga bila dan hanya bila β>1\beta > 1; sedangkan untuk β=1\beta = 1, xf=lnlnx\int^x f = \ln\ln x \to \infty. Menurut Teorema 6.6, deret dan integralnya bersifat sama: jadi konvergen bila dan hanya bila β>1\beta > 1.

19. Uji yang sama:  ⁣d ⁣dtlnlnlnt=1tlntlnlnt\frac{\dd}{\dd t}\ln\ln\ln t = \frac{1}{t\ln t\,\ln\ln t}, dan lnlnlnt\ln\ln\ln t \to \infty: jadi divergen. Sedangkan  ⁣d ⁣dt(1lnlnt)=1tlnt(lnlnt)2\frac{\dd}{\dd t}\Bigl(-\frac1{\ln\ln t}\Bigr) = \frac{1}{t\ln t\,(\ln\ln t)^2} dengan 1lnlnt0-\frac1{\ln\ln t} \to 0: jadi konvergen.

20. Yang pertama: n1/lnn=elnn/lnn=en^{1/\ln n} = \eu^{\ln n/\ln n} = \eu, jadi sukunya tepat 1en\frac{1}{\eu\,n}: yakni kelipatan deret harmonik, sehingga divergen — sebab eksponen 1+1lnn1 + \frac1{\ln n} merangkak ke 11 terlalu cepat. Yang kedua: n1/lnlnn=elnn/lnlnnn^{1/\ln\ln n} = \eu^{\ln n/\ln\ln n}, dan akhirnya lnnlnlnn2lnlnn\frac{\ln n}{\ln\ln n} \geq 2\ln\ln n, jadi n1/lnlnn(lnn)2n^{1/\ln\ln n} \geq (\ln n)^2: sehingga sukunya 1n(lnn)2\leq \frac1{n(\ln n)^2}, yakni deret Bertrand yang konvergen (pertanyaan 18): jadi konvergen. Perbatasannya lewat tegas di antara kedua eksponen itu.

21. Kita punya Rn0R_n \downarrow 0 dan

RnRn+1=RnRn+1Rn+Rn+1=anRn+Rn+1an2Rn,\sqrt{R_n} - \sqrt{R_{n+1}} = \frac{R_n - R_{n+1}}{\sqrt{R_n} + \sqrt{R_{n+1}}} = \frac{a_n}{\sqrt{R_n} + \sqrt{R_{n+1}}} \geq \frac{a_n}{2\sqrt{R_n}},

jadi nanRn2n(RnRn+1)=2R1<\sum_n \frac{a_n}{\sqrt{R_n}} \leq 2\sum_n(\sqrt{R_n} - \sqrt{R_{n+1}}) = 2\sqrt{R_1} < \infty (lewat teleskop). Namun an/Rnan=1Rn\frac{a_n/\sqrt{R_n}}{a_n} = \frac1{\sqrt{R_n}} \to \infty: jadi deret yang baru itu konvergen padahal ia tak hingga kali lebih besar. Tak ada deret konvergen yang paling lambat; jadi uji perbandingan terhadap keluarga tetap mana pun tak akan pernah lengkap.

22. Untuk (an)(a_n) positif yang turun, kelompokkan sukunya di antara pangkat 22 yang berurutan:

2ka2k+1n=2k2k+11an2ka2k.2^{k}a_{2^{k+1}} \leq \sum_{n=2^k}^{2^{k+1}-1} a_n \leq 2^ka_{2^k} .

Setelah dijumlahkan atas kk: jika 2ka2k\sum 2^ka_{2^k} konvergen, maka jumlah parsial an\sum a_n terbatas (jadi konvergen); sebaliknya jika an\sum a_n konvergen, maka k2k+1a2k+12nan<\sum_k 2^{k+1}a_{2^{k+1}} \leq 2\sum_n a_n < \infty. Untuk an=1n(lnn)βa_n = \frac1{n(\ln n)^\beta}: 2ka2k=1(kln2)β2^ka_{2^k} = \frac{1}{(k\ln 2)^\beta}, dan kβ\sum k^{-\beta} konvergen bila dan hanya bila β>1\beta > 1: jadi perbatasan pertanyaan 18 lagi, tanpa integral.

23. Menurut perbandingan integralnya,

n>N1n(lnn)2N+1 ⁣dtt(lnt)2=1ln(N+1),\sum_{n > N}\frac{1}{n(\ln n)^2} \geq \int_{N+1}^{\infty}\frac{\dd t}{t(\ln t)^2} = \frac{1}{\ln(N+1)},

yang di N=106N = 10^6 bernilai 0.0724\approx 0.0724: jadi setelah sejuta suku ekornya masih melampaui 0.070.07 — deretnya konvergen, tetapi tak ada penjumlahan langsung yang akan pernah memperlihatkan jumlahnya. Bandingkan dengan pertanyaan 13, tempat satu koreksi asimtotik membeli tujuh angka dari seratus suku: mengetahui bagaimana sebuah deret konvergen lebih berharga daripada mengetahui bahwa ia konvergen.

24. 1nlnn\sum\frac1{n\ln n}: divergen (α=1\alpha = 1, β=1\beta = 1, pertanyaan 18). 1n1.01\sum\frac1{n^{1.01}}: konvergen (Riemann, α>1\alpha > 1). (lnn)100n1.001\sum\frac{(\ln n)^{100}}{n^{1.001}}: konvergen (α=1.001>1\alpha = 1.001 > 1, β=100\beta = -100, pertanyaan 16). 1nlnn(lnlnn)3\sum\frac1{n\ln n(\ln\ln n)^3}: konvergen (dengan pola pertanyaan 19: antiturunannya 12(lnlnt)2-\frac12(\ln\ln t)^{-2}, yang berlimit hingga).

25. De Moivre mengubah penolkan sin(2n+1)θk\sin(2n{+}1) \theta_k menjadi penolkan sebuah polinomial di cot2θk\cot^2\theta_k, lalu Vieta membaca jumlah akar eksak yang hanya dapat ditaksir oleh analisis semata (pertanyaan 1–5). Apitannya memerlukan nilai eksak n(2n1)3\frac{n(2n-1)}3 dan 2n(n+1)3\frac{2n(n+1)}3 pada kedua sisinya — sebab yang setara justru akan mengemis pada pertanyaannya, karena seluruh intinya adalah konstanta π26\frac{\pi^2}6 (pertanyaan 7–8). Bagian IV seluruhnya berjalan pada perbandingan deret dengan integral pada Bab 6, dengan antiturunan logaritmiknya yang menggolongkan (pertanyaan 18–19). Pertanyaan 21 menghancurkan impian akan uji perbandingan semesta: sebab di bawah setiap deret konvergen ada deret lain yang tak hingga kali lebih lambat — skala seperti milik Bertrand memetakan perbatasannya makin halus tetapi tak pernah dapat mencapainya. Puncaknya: ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6 milik Euler beserta lantai atasnya ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90} (pertanyaan 8 dan 10), dan penggolongan Bertrand (pertanyaan 16–18); adapun ζ(2)\zeta(2) kembali pada Bab 14, tempat kesamaan Parseval membuktikannya ulang dalam satu baris dari deret Fourier gelombang gergaji — satu konstanta, dua peradaban.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium