调和级数

背景

从直观上理解，一个级数 $\sum a_n$ 的收敛性至少要求其通项 $a_n$ 趋近于0，即$\lim_{n \to \infty} a_n = 0$，但这只是必要条件而不是充分条件。也就是说，通项趋近于0并不保证级数一定收敛，调和级数就是一个非常典型的反例。

调和级数

调和级数形如

$$\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}$$

尽管其通项 $\frac{1}{n}$ 趋近于0，但调和级数是发散的。

可以通过对数比较来直观理解这个级数的发散性：调和级数的部分和可以表示为

$$S_N = \sum_{n=1}^{N} \frac{1}{n} \approx \ln(N)$$

由于对数函数 $\ln(N)$ 随着 $N$ 的增大而无界增长，因此 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}$ 发散。

应用

骨牌问题: 在桌子边缘, 将完全相同的骨牌(有一定厚度) 按照从上到下的顺序叠放，彼此之间存在一定的错位长度从而将上层骨牌延伸至桌子外，错位长度随着骨牌的编号逐渐减小。是否可以通过这种方法使得最顶层骨牌与最底层骨牌之间的水平距离趋于无穷?

结论是理想模型中给定任意有限距离，总能用足够多的骨牌超过它；任何有限堆叠的距离仍有限.

• 骨牌从上到下编号为 $n$。
• 每块骨牌的长度为 $L$。
  则

1. 骨牌1与骨牌2之间的错位长度为 $L/2$
2. 骨牌2与骨牌3之间的错位长度为 $L/4$
3. 骨牌3与骨牌4之间的错位长度为 $L/6$
4. 骨牌$n$与骨牌$n+1$之间的错位长度为$L/2n$
   骨牌之间的错位满足：

$$d_n = \frac{L}{2n}, \quad n = 1, 2, 3, \dots$$

最顶层骨牌相对于最底层的水平距离 $S_N$ 是前 $N$ 个相邻间隔（共 $N+1$ 块骨牌）的错位总和：

$$S_N = \sum_{n=1}^N d_n = \sum_{n=1}^N \frac{L}{2n}.$$

这是一个调和级数的部分和，具体为：

$$S_N = \frac{L}{2} \left( 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \cdots + \frac{1}{N} \right).$$

调和级数的性质是：

$$\sum_{n=1}^N \frac{1}{n} \sim \ln(N) + \gamma,$$

其中 $\gamma$ 是欧拉常数。

因此，当 $N \to \infty$ 时，总距离近似为：

$$S_N \sim \frac{L}{2} \ln(N).$$

• 结论: 水平距离可以增长无限大

严格的发散证明可由 $\ln(N+1)\le S_N\le1+\ln N$ 得到，见p-级数；近似符号本身不是证明。骨牌模型假定刚体均匀、水平支承且无扰动，每层上方整组骨牌的质心投影至多位于下层支承边缘，因此理想极限错位为 $L/(2n)$；恰好取等号是临界平衡，实际可略减错位而仍获得无界的总延伸。