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) pada ruang bernorma E, deret ∑un konvergen apabila jumlah parsialnya konvergen; deret itu konvergen mutlak apabila ∑∥un∥<∞. 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) (atau Lc(E) dengan E Banach): untuk ∣∣∣A∣∣∣<1, deret Neumann∑Ak konvergen mutlak ke (I−A)−1 (yang dibuktikan pada Latihan 5.5); sedangkan ∑k!Ak konvergen mutlak ke eA untuk setiap A (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 an dan vektor bn, dengan Bn=∑k=0nbk:
n=0∑Nanbn=aNBN−n=0∑N−1(an+1−an)Bn.
(Uji Abel) Jika (an) barisan real yang turun ke 0, dan jumlah parsial Bn bersifat terbatas (di sebuah ruang Banach), maka ∑anbn konvergen.
Bukti. Kesamaannya, langkah demi langkah: dengan B−1=0, tulislah bn=Bn−Bn−1 lalu pecah,
dengan jumlah keduanya diindeks ulang lewat n↦n+1 (dan suku B−1 lenyap); setelah jangkauan bersamanya 0≤n≤N−1 dikumpulkan, tersisa aNBN ditambah ∑n≤N−1(an−an+1)Bn: itulah rumus yang dinyatakan tadi. Ia adalah pengintegralan parsial versi diskret, dengan (Bn) sebagai antiturunan (bn) dan selisih an+1−an sebagai turunan (an). Untuk ujinya, dengan ∥Bn∥≤M: suku batasnya aNBN→0; sedangkan deret ∑(an−an+1)Bn konvergen mutlak, sebab
n∑∥(an+1−an)Bn∥≤Mn∑(an−an+1)=Ma0<∞
(lewat teleskop, dengan an↓0). Kedua potongan kesamaannya konvergen, sehingga ∑anbn pun konvergen. ∎
Contoh 7.4
Deret ∑nsinn konvergen: sebab an=n1↓0 dan Bn=∑k=1nsink terbatas — memang Bn=ℑ∑k≤neik=ℑei−1ei(ein−1), yang bermodulus ≤∣ei−1∣2. Deret itu tidak konvergen mutlak (sebab ∣sinn∣≥sin2n=21−cos2n, dan ∑2n1−cos2n divergen karena ∑ncos2n konvergen lewat uji Abel yang sama sedangkan ∑2n1 divergen). Uji deret berselang-seling tak lain kasus khusus bn=(−1)n.
Contoh 7.5(Abel pada lingkaran kekonvergenan)
Untuk z kompleks yang mana dengan ∣z∣=1 deret ∑n≥1nzn konvergen? Di z=1 ia menjadi deret harmonik, jadi divergen. Untuk z=1 pada lingkarannya, uji Abel berlaku dengan an=n1↓0 dan bn=zn, yang jumlah parsialnya terbatas tanpa bergantung pada N:
n=1∑Nzn=z−1z(zN−1)≤∣z−1∣2.
Jadi konvergen — walaupun tak pernah mutlak (sebab ∑n1). 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=−1 ia memulihkan deret harmonik berselang-seling, dan di z=eiθ bagian real dan bagian imajinernya adalah deret ∑ncosnθ dan ∑nsinnθ pada Latihan 7.4.
Contoh 7.6(Deret berselang-seling yang beranjau)
Apakah ∑n≥2n+(−1)n(−1)n konvergen? Tandanya berselang-seling dan sukunya menuju 0 — namun uji berselang-selingnya tidak berlaku: sebab modulusnya n+(−1)n1 tidak turun (ia melonjak naik pada tiap n yang ganjil). Uraikanlah sebagai gantinya:
Potongan pertamanya konvergen (lewat uji berselang-seling yang diterapkan secara jujur pada n1↓0), potongan ketiganya konvergen mutlak — tetapi potongan tengahnya adalah deret harmonik yang divergen: jadi jumlahnya divergen ke −∞. Pelajaran penutupnya: ketika kemonotonannya gagal, uraikanlah sampai tiap potongannya konvergen mutlak atau menjadi kasus uji yang bersih; sebab −n1 yang tersembunyi itu tak terlihat oleh pencacahan tanda.
Catatan 7.7(Jebakan yang sering muncul)
(i) “Sukunya menuju 0” tidak membuktikan apa pun: sebab deret harmonik divergen. (ii) Uji berselang-seling menuntut modulus yang turun — Contoh 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 ∑n+1(−1)n yang dikuadratkan, suku diagonalnya memenuhi
∣ck∣=m=0∑k(m+1)(k−m+1)1≥(k+1)⋅k+22⟶2=0
(sebab tiap faktornya paling banyak 2k+2 menurut AM–GM), sehingga ∑ck 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 I himpunan indeks yang terbilang. Sebuah keluarga (ui)i∈I berisi bilangan real tak negatif disebut terjumlahkan apabila jumlah parsial hingganya terbatas; jumlahnya adalah
i∈I∑ui=F⊆I hinggasupi∈F∑ui∈[0,+∞].
Sebuah keluarga bilangan real atau kompleks (atau vektor Banach) disebut terjumlahkan apabila (∥ui∥) demikian; jumlahnya lalu ditetapkan dengan memecahnya menjadi bagian positif dan negatif (atau bagian real dan imajiner) — setara dengan itu, sebagai nilai bersama ∑nuσ(n) atas semua pencacahan σ bagi I (lihat di bawah).
Metode 7.9(Memilih sebuah uji)
Menghadapi ∑un, urutannya begini. (1) Jika un→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, einθ, 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>0 yang mana keluarga ((m+n)−s)m,n≥1terjumlahkan? Kelompokkan jumlah parsial hingganya menurut diagonal m+n=k: diagonal ke-k mengusung k−1 pasangan, yang masing-masing menyumbang k−s, jadi jumlah hingganya tepat terbatas oleh (dan menghabiskan)
k≥2∑ksk−1,
yakni deret bersuku positif yang setara dengan k1−s: jadi terjumlahkan bila dan hanya bila s−1>1, yakni s>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) tidak terjumlahkan: pada diagonal m+n=k, tiap sukunya sedikitnya k−2, dan (k−1)⋅k−2 berjumlah seperti deret harmonik.)
Teorema 7.11(Keterjumlahan dan urutan)
Untuk keluarga tak negatif, jumlahnya awet terhadap pencacahan apa pun: ∑iui=∑n=0∞uσ(n) untuk setiap bijeksi σ:N→I.
Deret real atau kompleks ∑un disebut konvergen komutatif (yakni setiap penataan ulangnya konvergen, dengan jumlah yang sama) bila dan hanya bila ia konvergen mutlak.
Bukti. (1) Setiap jumlah parsial ∑n≤Nuσ(n) merupakan jumlah parsial hingga keluarganya (jadi ≤ supremumnya); sebaliknya setiap F yang hingga termuat di suatu {σ(0),…,σ(N)} (jadi supremumnya ≤ limit deretnya). Kedua batasnya berimpit.
(2) Jika ∑∣un∣<∞: untuk sembarang penataan ulang σ dan ε>0, pilihlah N dengan ∑n>N∣un∣≤ε; maka melampaui peringkat tempat σ sudah menghabiskan [[0,N]], jumlah parsial yang ditata ulang itu berselisih dari limit asalnya paling banyak ε: jadi jumlahnya sama. Jika ∑∣un∣=∞ padahal ∑un 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 ∑n≥1n(−1)n−1=ln2 (jilid Tahun ke-1). Tatalah ulang sebagai “satu positif, dua negatif”:
1−21−41+31−61−81+51−⋯
Setelah tiap blok bertiganya dikelompokkan,
2k−11−4k−21−4k1=4k−21−4k1=21(2k−11−2k1),
maka deret yang ditata ulang itu konvergen ke 21ln2 — 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:
(1−1)+(1−1)+(1−1)+⋯=0+0+⋯=0,
padahal 1−1+1−1+⋯ yang tanpa kelompok bersifat divergen (sebab jumlah parsialnya berayun antara 1 dan 0). Membuka kelompok hanya sah bila ada hipotesis pengimbang — misalnya suku yang menuju 0 dengan panjang kelompok yang terbatas: sebab ketika itu, di antara dua jumlah parsial yang dikelompokkan, jumlah asalnya hanyut paling banyak sejumlah suku 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 keluarga ganda yang terjumlahkan (yakni supF∑F∣um,n∣<∞). Maka
dengan semua deret dalamnya konvergen (secara mutlak). Khususnya, jika ∑am dan ∑bn konvergen mutlak, maka hasil kali Cauchy keduanya konvergen mutlak dengan
(m∑am)(n∑bn)=k=0∑∞ck,ck=m=0∑kambk−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 ∑m≤M∑n≤Num,n≤S, dengan melewatkan N→∞ lalu M→∞, diperoleh ∑m∑num,n≤S; sebaliknya setiap F yang hingga duduk di dalam persegi panjang semacam itu, jadi S≤∑m∑num,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∣.
Hasil kali Cauchy. Keluarga um,n=ambnterjumlahkan: sebab jumlah parsial hingga ∣ambn∣ terbatas oleh (∑∣am∣)(∑∣bn∣). Barisnya memberi (∑am)(∑bn); sedangkan diagonalnya memberi ∑kck. ∎
lewat teorema binomial pada tiap diagonalnya: jadi eaeb=ea+b — yakni persamaan fungsional 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 ∑n≥1nzn=(1−z)2z (∣z∣<1) pada Latihan 7.2, satu hasil kali Cauchy lagi merampungkan momen keduanya. Kalikan ∑mmzm dengan ∑nzn: koefisien diagonalnya adalah ∑m=0km=2k(k+1), sehingga
(1−z)3z=k≥0∑2k(k+1)zk,
lalu kesamaan n2=2⋅2n(n+1)−n merakit
n≥1∑n2zn=(1−z)32z−(1−z)2z=(1−z)3z(1+z).
Di z=21: ∑n≥12nn2=8121⋅23=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, dan para ahli peluang akan mengenali momen faktorial kedua pada distribusi geometri (Bab 23).
Contoh 7.17(Sebuah penilaian jumlah ganda)
Untuk s>1 yang real, misalkan ζ(s)=∑n≥1n−s. Dengan mencacah pembagi lewat penjumlahan ganda — keluarga (m−sn−s) atas (m,n)∈(N∗)2terjumlahkan (sebab hasil kali deret positif yang konvergen) — lalu mengelompokkannya menurut hasil kali q=mn:
ζ(s)2=m,n∑(mn)s1=q=1∑∞qsd(q),
dengan d(q) menyatakan banyaknya pembagi q. Keluarga terjumlahkan mengubah kombinatorika menjadi analisis.
Untuk bilangan bulat n≥2 berlaku ζ(n)−1=∑k≥2k−n. Keluarga ganda (k−n)k,n≥2terjumlahkan: dengan menjumlahkan kolom geometrinya lebih dulu,
k≥2∑n≥2∑kn1=k≥2∑1−1/k1/k2=k≥2∑k(k−1)1=1
(lewat teleskop), dan semua sukunya positif, jadi Teorema 7.14 mengizinkan penjumlahan menurut barisnya:
n≥2∑(ζ(n)−1)=1.
Nilai ζ yang tak hingga banyaknya, yang masing-masing tampak transenden, punya ekor yang berjumlah tepat 1. 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]),∥⋅∥∞), selesaikan x−K(x)=y dengan K(f) menyatakan fungsi konstan 21∫01f. Norma operatornya∣∣∣K∣∣∣≤21<1, jadi deret Neumann berlaku (Contoh 7.2): x=∑n≥0Kn(y). Hitung iterasinya: K(y)=21∫01y (sebuah konstanta), dan menerapkan K pada konstanta c memberi 2c, sehingga Kn(y)=2n−11⋅21∫01y untuk n≥1. Setelah konstanta geometrinya dijumlahkan:
x=y+(∫01y)n≥1∑2n1=y+∫01y.
Periksa: x−K(x)=y+∫y−21(∫y+∫y)=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
n(n+1)(n+2)1=21(n(n+1)1−(n+1)(n+2)1),
(periksa dengan menyamakan penyebutnya), sehingga jumlah parsialnya runtuh:
n=1∑Nn(n+1)(n+2)1=21(1⋅21−(N+1)(N+2)1)⟶41.
Pola yang sama — yakni menulis sukunya sebagai c(un−un+1) untuk suatu (un) yang gamblang — menyelesaikan Latihan 7.10 (lewat arkus tangen) dan menghitung setiap ∑n(n+1)⋯(n+k)1=k⋅k!1. 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 tak lain kekonvergenan mutlak∑∥fn∥∞ di ruang Banach(C,∥⋅∥∞) — 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: ∑ncosn; ∑lnn(−1)n; ∑n3/4+cosn(−1)n(uraikan seperti pada jebakan Tahun ke-1: uji berselang-seling menuntut kemonotonan).
Solusi
Solusi Latihan 7.1.
∑ncosn: uji Abel dengan an=n1 dan bn=cosn, yang jumlah parsialnya terbatas (yakni bagian real sebuah jumlah geometri, seperti pada Contoh 7.4): jadi konvergen (tetapi tidak mutlak, lewat siasat cos2 yang sama).
∑lnn(−1)n (n≥2): lewat uji berselang-seling, lnn1↓0: jadi konvergen; tetapi tidak mutlak (sebab lnn≤n).
0<α≤1: uji Abel berlaku (sebab an=n−α↓0; dan jumlah parsial sinnθ terbatas oleh ∣sin(θ/2)∣1 lewat jumlah geometri): jadi konvergen. Tidak mutlak: sebab ∣sinnθ∣≥sin2nθ=21−cos2nθ, dan ∑2nα1−cos2nθ divergen (karena ∑n−α divergen, sedangkan ∑nαcos2nθ konvergen lewat Abel bila 2θ∈/2πZ; adapun kasus terkecuali 2θ∈2πZ berarti θ∈πZ, yang sudah ditangani). Jadi semi-konvergen.
Latihan 7.5★★★
(Penataan ulang Riemann) Misalkan ∑un deret real yang konvergen tetapi tidak konvergen mutlak, dan ℓ∈R. Buktikan bahwa suatu penataan ulang ∑un konvergen ke ℓ. (Tunjukkan kedua deret bagian berisi suku positif dan suku negatif sama-sama divergen; lalu berselang-selinglah secara rakus: ambil suku positif sampai melampaui ℓ, lalu suku negatif sampai turun di bawahnya, dan seterusnya; sukunya menuju 0, sehingga kekonvergenannya ke ℓ terpaksa terjadi.)
Solusi
Solusi Latihan 7.5.
Misalkan p1,p2,… suku tak negatif (un) menurut urutannya, dan q1,q2,… suku negatifnya. Baik ∑pk maupun ∑qk divergen: sebab seandainya salah satunya konvergen, yang lain akan sama dengan ∑un yang konvergen dikurangi ia, jadi konvergen pula — dan ketika itu ∑∣un∣=∑pk−∑qk akan konvergen, yang bertentangan dengan hipotesisnya. Selain itu un→0 (sebab ∑un konvergen).
Penataan ulang secara rakus: ambil suku positif p1,p2,… sampai total berjalannya pertama kali melampaui ℓ (mungkin, sebab ∑pk=+∞); lalu suku negatif sampai totalnya pertama kali turun di bawah ℓ (mungkin, sebab ∑qk=−∞); ulangi selamanya (tiap tahapnya hingga, dan tiap suku terpakai tepat sekali: jadi sebuah penataan ulang yang sejati). Setelah tiap pergantian, jarak total berjalannya ke ℓ paling banyak sebesar suku terakhir yang dipakai; dan karena suku yang dipakai pada pergantian ke-m berindeks →∞, sedangkan un→0, total berjalannya konvergen ke ℓ.
Latihan 7.6★★
Buktikan bahwa keluarga (m!n!xm+n)(m,n)∈N2terjumlahkan untuk setiap x∈R, lalu turunkan kembali kesamaan (ex)2=e2x dengan mengelompokkan jumlah gandanya sepanjang diagonal m+n=k.
Solusi
Solusi Latihan 7.6.
Keterjumlahannya: jumlah parsial hingga m!n!∣x∣m+n terbatas oleh (∑mm!∣x∣m)2=e2∣x∣. Pengelompokan diagonal (Teorema 7.14) memberi
Buktikan bahwa keluarga (m2n21)m,n≥1terjumlahkan, dan bahwa pengelompokan menurut gcd, dengan q=gcd(m,n),
ζ(2)2=q≥1∑q41a,b≥1gcd(a,b)=1∑a2b21=ζ(4)⋅S,
dengan S=∑gcd(a,b)=1a2b21: lalu turunkan S=ζ(2)2/ζ(4). (Setiap pasangan (m,n) tertulis secara tunggal sebagai (qa,qb) dengan gcd(a,b)=1.)
Solusi
Solusi Latihan 7.7.
Keterjumlahannya: terbatas oleh ζ(2)2 sebagai keluarga hasil kali (lewat hujah hasil kali Cauchy pada Teorema 7.14). Pemetaan (q,a,b)↦(qa,qb), dari tripel dengan gcd(a,b)=1 ke pasangan (m,n), merupakan bijeksi (ambil 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):
(Dengan nilai ζ(2)=6π2 dan ζ(4)=90π4 dari Bab 14: S=25.)
Latihan 7.8★★★
(Teorema Abel tentang hasil kali, versi ringan) Andaikan ∑an konvergen mutlak dan ∑bn konvergen. Buktikan bahwa hasil kali Cauchy keduanya ∑cn konvergen, dengan ∑cn=(∑an)(∑bn). (Tulis CN=∑k≤Nck=∑nanBN−n dengan B menyatakan jumlah parsial b; lalu pecah menurut n≤N/2 atau tidak, dengan memakai keterbatasan (Bm) dan ekor mutlak(an).)
Solusi
Solusi Latihan 7.8.
Misalkan A=∑an (yang mutlak), Bm=∑k≤mbk→B, yang terbatas oleh M. Maka
CN=k=0∑Nck=n=0∑NanBN−n
(kumpulkan menurut indeks a). Tulislah
CN−AB=n=0∑Nan(BN−n−B)−Bn>N∑an.
Suku terakhirnya menuju 0. Pecahlah jumlahnya di n=⌊N/2⌋: untuk n≤N/2 berlaku N−n≥N/2, jadi ∣BN−n−B∣≤εN:=supm≥N/2∣Bm−B∣→0, sehingga bagian ini ≤εN∑∣an∣; sedangkan untuk n>N/2 berlaku ∣BN−n−B∣≤2M, sehingga bagian ini ≤2M∑n>N/2∣an∣→0. Karenanya CN→AB.
Latihan 7.9★★★
Pada ruang E (yang tidak lengkap) berisi barisan real yang akhirnya nol dengan norma supremum, tunjukkanlah sebuah deret yang konvergen mutlak tetapi tidak konvergen di E. (Cobalah un=2−nen dengan (en) menyatakan barisan kanoniknya.)
Solusi
Solusi Latihan 7.9.
Ambil un=2−nen (dengan en menyatakan barisan yang bernilai 1 tunggal pada kedudukan n). Maka ∑∥un∥∞=∑2−n<∞: jadi konvergen mutlak. Namun jumlah parsialnya SN=(1,21,…,2−N,0,…) mestinya konvergen ke barisan (2−n)n, yang tidak akhirnya nol: jadi di luar E. Di dalam E, barisan (SN) bersifat Cauchy tanpa limit (sebab ∥SN−x∥∞≥2−N−1 tak menolong satu pun x yang akhirnya nol: untuk sembarang x∈E yang nol melampaui peringkat K, berlaku ∥SN−x∥≥2−K−1 bila N>K): jadi deretnya tidak konvergen di E. Kelengkapan persis itulah yang diperlukan Teorema 5.21.
Latihan 7.10★★
Periksalah kesamaan arctan(n+1)−arctan(n)=arctann2+n+11, lalu turunkan nilai eksak
n=1∑∞arctann2+n+11.
Solusi
Solusi Latihan 7.10.
Baik arctan(n+1)−arctann maupun arctann2+n+11 berada di (0,2π), dan rumus penjumlahan tangen memberi
Yang pertama: n+1−n=n+1+n1∼2n1, jadi sukunya ∼2−αn−α/2: konvergen bila dan hanya bila 2α>1, yakni α>2. Yang kedua: 1−cosn1∼2n21: jadi konvergen. Yang ketiga: (1+n1)n=enln(1+1/n)=e1−2n1+O(n−2)=e(1−2n1+O(n−2)), sehingga
e−(1+n1)n∼2ne:
sukunya positif dan setara dengan kelipatan harmonik: jadi divergen.
Latihan 7.12★★★
Misalkan (an) positif dan turun dengan ∑an konvergen. Buktikan bahwa nan→0(batasi na2n oleh sebuah ekor). Tunjukkan bahwa konversnya gagal, dan bahwa kemonotonannya penting, beserta contoh penyangkal yang gamblang.
Solusi
Solusi Latihan 7.12.
Berkat kemonotonannya, na2n≤an+1+an+2+⋯+a2n=S2n−Sn→0 (lewat kriteria Cauchy bagi deret yang konvergen). Karenanya 2na2n→0, dan (2n+1)a2n+1≤(2n+1)a2n=2n2n+1(2na2n)→0: jadi kedua barisan bagian (nan) menuju 0, sehingga nan→0.
Konversnya gagal:an=nlnn1 positif dan turun dengan nan=lnn1→0, namun ∑an divergen (yakni perbatasan Bertrand, Soal 7.1, pertanyaan 18). Kemonotonannya penting: ambil an=n1 bila n berupa pangkat 2 dan an=2−n bila bukan: maka ∑an≤∑k2−k+∑n2−n<∞, tetapi nan=1 sepanjang pangkat 2: jadi nan→0.
7.5 Soal: ζ(2)=π2/6 milik Euler, lewat Jumlah Kotangen Cauchy
Kesamaan Euler yang paling masyhur, 1+41+91+⋯=6π2, menerima bukti yang sepenuhnya dasar, karya Cauchy: rumus de Moivre menghasilkan polinomial yang akarnya adalah bilangan cot22n+1kπ, Vieta menjumlahkan akar itu secara eksak, lalu apitan cot2θ<θ21<1+cot2θ meremukkan jumlah parsial ∑k21 di antara dua batas rasional yang gamblang. Kita jalankan buktinya selengkapnya, lalu sarikan ζ(4)=90π4 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 dan panorama Bertrand
Di sepanjang soal ini, n≥1 dan θk=2n+1kπ untuk k=1,…,n; perhatikan 0<θk<2π.
Bagian I — Kesamaan kotangen.
Buktikan rumus de Moivre (cosθ+isinθ)m=cosmθ+isinmθ (m∈N), lalu turunkan, untuk m=2n+1,
lalu apitlah dengan cot4<θ−4<(1+cot2)2 untuk memperoleh ζ(4)=90π4.
Bagian III — Panennya.
Turunkan dari ζ(2)=6π2:
k≥0∑(2k+1)21=8π2,k≥1∑k2(−1)k−1=12π2.
Padukan dengan Latihan 7.7: hitunglah S=∑gcd(a,b)=1a2b21=ζ(4)ζ(2)2=25, lalu tafsirkan ζ(2)1=π26≈0.608 sebagai kerapatan pasangan yang saling prima (nyatakan heuristiknya secara jujur: pencacahan yang cermat adalah urusan jilid Tahun ke-3).
(Percepatan yang tersahkan) Rumus ekor pada pertanyaan 9 memberi ∑k≤nk−2+n1−2n21=6π2+O(n−3). Bandingkan kerja yang diperlukan untuk enam angka ζ(2): penjumlahan langsung lawan jumlah terkoreksi di n=100 (tempat galatnya 1.7⋅10−7).
Periksalah pertanyaan 4 dengan tangan di n=1 dan n=2 (yakni nilai cot23π=31 dan cot25π+cot252π=2), dengan memakai cos5π=41+5 atau penilaian numerik.
Buktikan kesamaan pendampingnya
k=1∑ntan22n+1kπ=n(2n+1)
(sebab bilangan tan2θk adalah akar polinomial terbalik xnPn(1/x)), lalu periksalah di n=1.
Bagian IV — Panorama Bertrand. Untuk α,β∈R, tinjaulah deret Bertrand
n≥3∑nα(lnn)β1.
Tunjukkan bahwa untuk α>1 deretnya konvergen, berapa pun β(bandingkan dengan n−(1+α)/2).
Tunjukkan bahwa untuk α<1 ia divergen, berapa pun β.
Untuk α=1: dengan memakai perbandingan deret dengan integral (Teorema 6.6) pada f(t)=t(lnt)β1, buktikan bahwa ia konvergen bila dan hanya bila β>1.
Iterasikan perbatasannya: tunjukkan ∑nlnnlnlnn1 divergen sedangkan ∑nlnn(lnlnn)21 konvergen.
Dua jebakan: tentukan sifat
n∑n1+1/lnn1dann∑n1+1/lnlnn1
(hitunglah n1/lnn secara eksak; lalu bandingkan n1/lnlnn dengan setiap pangkat lnn).
(Tak ada deret konvergen yang paling lambat) Misalkan ∑an deret konvergen apa pun dengan an>0, dan Rn=∑k≥nak ekornya. Buktikan bahwa ∑Rnan tetap konvergen(bandingkan dengan teleskop 2(Rn−Rn+1)), walaupun anan/Rn→∞: jadi setiap deret konvergen didominasi tegas oleh deret konvergen yang lain. Perbatasan kekonvergenannya bukan sebuah kurva, melainkan kabut.
Bagian V — Pemeriksaan silang dan rangkuman.
(Kondensasi Cauchy) Buktikan: untuk (an) yang positif dan turun, ∑an konvergen bila dan hanya bila ∑2ka2k konvergen. Lalu turunkan kembali perbatasan pertanyaan 18 dari situ.
(Ongkos kelambanan) Untuk ∑n(lnn)21, batasilah ekornya oleh sebuah integral lalu tunjukkan bahwa menjumlahkannya sampai N=106 masih menyisakan galat yang lebih besar daripada 0.07: jadi kekonvergenan yang disahkan teori dapat tak berguna bagi numerik — bandingkan dengan pertanyaan 13.
Golongkanlah (beserta pembenaran satu baris): ∑nlnn1, ∑n1.011, ∑n1.001(lnn)100, dan ∑n(lnn)(lnlnn)31.
(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)=6π2 milik Euler (beserta lantai di atasnya, ζ(4)=90π4), dan penggolongan Bertrand. Catat pula di mana ζ(2) akan dibuktikan sekali lagi: lewat Parseval pada Bab 14 — satu teorema, dua peradaban.
Solusi
Solusi Soal 7.1.
1. Induksi pada m: untuk m=0 kedua ruasnya 1; lalu langkahnya mengalikan dengan cosθ+isinθ dan memakai rumus penjumlahan cos(mθ+θ)=cosmθcosθ−sinmθsinθ serta sin(mθ+θ)=sinmθcosθ+cosmθsinθ. Sebagai gantinya, menguraikannya lewat teorema binomial dengan m=2n+1 lalu mengumpulkan bagian imajinernya (yakni pangkat ganjil isinθ, dengan i2j+1=(−1)ji) memberi
2. Pada (0,2π) berlaku sinθ=0: keluarkan faktor sin2n+1θ dari tiap sukunya, sehingga tersisa (sin2θcos2θ)n−j=(cot2θ)n−j: yakni kesamaan yang tertulis tadi dengan Pn(x)=∑j(−1)j(2j+12n+1)xn−j. Koefisien berderajat n-nya berasal dari j=0, yaitu (12n+1)=2n+1=0.
3. Di θk=2n+1kπ: sin((2n+1)θk)=sinkπ=0 sedangkan sin2n+1θk=0, jadi Pn(cot2θk)=0. Nilai θk naik tegas di (0,2π), tempat cot2 turun tegas: jadi nilai xk=cot2θk berbeda sepasang demi sepasang — yakni n akar berbeda bagi polinomial berderajat n, sehingga itulah seluruh akarnya.
4. Menurut Vieta, jumlah akarnya adalah negatif rasio koefisien xn−1 terhadap koefisien xn:
5. Karena sin2θ1=1+cot2θ, setelah dijumlahkan diperoleh n+3n(2n−1)=33n+2n2−n=32n(n+1).
6. Pada (0,2π): sinθ<θ<tanθ (jilid Tahun ke-1). Mengambil kebalikannya membalik urutannya: cotθ<θ1<sinθ1, lalu mengkuadratkannya (semuanya positif) memberi cot2θ<θ21<sin2θ1.
7. Jumlahkan pertanyaan 6 di θ=θk atas k≤n, dengan memakai pertanyaan 4 dan 5, serta θk21=k2π2(2n+1)2:
Kedua batasnya menuju 3π2⋅21=6π2 (sebab pecahan rasionalnya menuju 21). Jumlah parsialnya naik, jadi ia konvergen, dan apitannya memberi ζ(2)=6π2: itulah teorema Euler, lewat bukti Cauchy.
9. Jumlah parsialnya naik ke ζ(2)=6π2, jadi 0≤6π2−∑k≤nk−2; lalu batas bawah pada pertanyaan 8 memberi
Setelah cot4θ<θ−4<(1+cot2θ)2=1+2cot2θ+cot4θ diapit lalu dijumlahkan: kedua jumlah luarnya bernilai 458n4(1+o(1)) (sebab tambahan n+2σ1=O(n2) terabaikan), sedangkan jumlah tengahnya adalah π4(2n+1)4∑k≤nk−4. Karenanya
k≤n∑k41⟶π4⋅168/45=90π4.
11. Setelah ζ(2) dipecah menurut paritasnya: ∑genap=∑j(2j)21=41ζ(2)=24π2, jadi ∑ganjil=ζ(2)−24π2=8π2. Untuk yang berselang-seling: ∑kk2(−1)k−1=∑ganjil−∑genap=8π2−24π2=12π2 (dan kekonvergenan mutlaknya mengesahkan pengelompokan ulang itu, Teorema 7.11).
12.S=ζ(4)ζ(2)2=π4/90(π2/6)2=3690=25. Heuristiknya: kesamaan ζ(2)2=ζ(4)S pada Latihan 7.7 mengatakan bahwa mengeluarkan gcd menormalkan ulang pasangannya menjadi pasangan yang saling prima; lalu kebalikannya ζ(2)1=π26≈0.608 menjadi calon alami bagi kerapatan pasangan saling prima di antara semua pasangan — yakni pernyataan tentang limNN21#{(m,n)≤N:gcd=1} yang bukti jujurnya (lengkap dengan suku galatnya) menjadi bagian jilid Tahun ke-3.
13. Penjumlahan langsung bergalat ∼n1: jadi enam angka menuntut sekitar 106 suku. Sedangkan jumlah terkoreksi ∑k≤nk−2+n1−2n21 bergalat O(n−3): di n=100 ia sama dengan 1.6449339… terhadap 6π2=1.6449341… — galatnya 1.7⋅10−7, yakni tujuh angka dari seratus suku. Jadi koreksi asimtotik mengalahkan kesabaran mentah sejauh empat orde besaran.
14. Untuk n=1: P1(x)=3x−1, dengan akar 31, dan memang cot23π=(31)2=31=31⋅1. Untuk n=2: rumusnya meramalkan 32⋅3=2; lalu dengan cos5π=41+5 terhitung cot236∘≈1.894 dan cot272∘≈0.106: jumlahnya 2.000.
15. Bilangan tan2θk=xk1 merupakan akar Q(x)=xnPn(x1)=∑j=0n(−1)j(2j+12n+1)xj (sebab xk tak nol). Vieta pada Q: koefisien utamanya (−1)n (dari suku j=n), koefisien berikutnya (−1)n−1(2n−12n+1)=(−1)n−1(22n+1), sehingga
16. Misalkan γ=21+α∈(1,α). Maka n−γn−α(lnn)−β=nγ−α(lnn)−β→0 (sebab pangkat negatif n mengalahkan pangkat berapa pun dari lnn), jadi akhirnya sukunya ≤n−γ dengan γ>1: sehingga konvergen lewat pembandingan dengan deret Riemann.
17. Misalkan γ=21+α∈(α,1): kini n−α(lnn)−βn−γ=nα−γ(lnn)β→0, jadi akhirnya sukunya ≥n−γ dengan γ<1: sehingga divergen.
18. Fungsi f(t)=t(lnt)β1 bersifat positif, kontinu, dan turun untuk t yang besar (sebab logaritmanya berturunan −t1(1+lntβ)<0 pada akhirnya). Antiturunannya: untuk β=1, ∫xf=1−β(lnx)1−β+tetapan, yang punya limit hingga bila dan hanya bila β>1; sedangkan untuk β=1, ∫xf=lnlnx→∞. Menurut Teorema 6.6, deret dan integralnya bersifat sama: jadi konvergen bila dan hanya bila β>1.
19. Uji yang sama: dtdlnlnlnt=tlntlnlnt1, dan lnlnlnt→∞: jadi divergen. Sedangkan dtd(−lnlnt1)=tlnt(lnlnt)21 dengan −lnlnt1→0: jadi konvergen.
20. Yang pertama: n1/lnn=elnn/lnn=e, jadi sukunya tepat en1: yakni kelipatan deret harmonik, sehingga divergen — sebab eksponen 1+lnn1 merangkak ke 1 terlalu cepat. Yang kedua: n1/lnlnn=elnn/lnlnn, dan akhirnya lnlnnlnn≥2lnlnn, jadi n1/lnlnn≥(lnn)2: sehingga sukunya ≤n(lnn)21, yakni deret Bertrand yang konvergen (pertanyaan 18): jadi konvergen. Perbatasannya lewat tegas di antara kedua eksponen itu.
jadi ∑nRnan≤2∑n(Rn−Rn+1)=2R1<∞ (lewat teleskop). Namun anan/Rn=Rn1→∞: 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) positif yang turun, kelompokkan sukunya di antara pangkat 2 yang berurutan:
2ka2k+1≤n=2k∑2k+1−1an≤2ka2k.
Setelah dijumlahkan atas k: jika ∑2ka2k konvergen, maka jumlah parsial ∑an terbatas (jadi konvergen); sebaliknya jika ∑an konvergen, maka ∑k2k+1a2k+1≤2∑nan<∞. Untuk an=n(lnn)β1: 2ka2k=(kln2)β1, dan ∑k−β konvergen bila dan hanya bila β>1: jadi perbatasan pertanyaan 18 lagi, tanpa integral.
23. Menurut perbandingan integralnya,
n>N∑n(lnn)21≥∫N+1∞t(lnt)2dt=ln(N+1)1,
yang di N=106 bernilai ≈0.0724: jadi setelah sejuta suku ekornya masih melampaui 0.07 — 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.
25. De Moivre mengubah penolkan sin(2n+1)θk menjadi penolkan sebuah polinomial di cot2θk, lalu Vieta membaca jumlah akar eksak yang hanya dapat ditaksir oleh analisis semata (pertanyaan 1–5). Apitannya memerlukan nilai eksak3n(2n−1) dan 32n(n+1) pada kedua sisinya — sebab yang setara justru akan mengemis pada pertanyaannya, karena seluruh intinya adalah konstanta 6π2 (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)=6π2 milik Euler beserta lantai atasnya ζ(4)=90π4 (pertanyaan 8 dan 10), dan penggolongan Bertrand (pertanyaan 16–18); adapun ζ(2) kembali pada Bab 14, tempat kesamaan Parseval membuktikannya ulang dalam satu baris dari deret Fourier gelombang gergaji — satu konstanta, dua peradaban.