【級数】絶対収束・条件収束とは何か~定義と性質まとめ~

微分積分学(大学)
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無限級数 \sum_{n=1}^\infty a_n が絶対収束するとは,無限級数 \sum_{n=1}^\infty |a_n| が収束することをいい,条件収束するとは,絶対収束しないが,無限級数 \sum_{n=1}^\infty a_n が収束することをいいます。

絶対収束・条件収束の定義と具体例を紹介し,さらに発展的な記事をまとめましょう。

絶対収束・条件収束の定義

絶対収束・条件収束はどちらも級数

\sum_{n=1}^\infty a_n=\lim_{N\to\infty} \sum_{n=1}^N a_n


の収束性に関する話です。以下で,たとえば \sum_{n=1}^\infty a_n収束する (converge) とは,上式の右辺が収束することを指すとします。

定義(絶対収束・条件収束)

\{a_n\} を実数列または複素数列とする。

  1. \sum_{n=1}^\infty |a_n| が収束するとき,無限級数 \sum_{n=1}^\infty a_n絶対収束 (absolutely convergent) するという。
  2. \sum_{n=1}^\infty |a_n| は収束しないが, \sum_{n=1}^\infty a_n が収束するとき,無限級数 \sum_{n=1}^\infty a_n条件収束 (conditionally convergent) するという。

絶対収束の「絶対」は絶対値からくる言葉です。1.が言えれば, \sum_{n=1}^\infty a_n が収束すると言えます(→級数が絶対収束すれば収束することの2通りの証明)。よって, \sum_{n=1}^\infty a_n が収束するとき,絶対収束するか・条件収束するかの2つに分類され,それ以外はあり得ません。

絶対値がついている \sum_{n=1}^N |a_n| に関しては, N\to\infty で単調増加です。上に有界な単調増加数列は収束するので,

\displaystyle \sum_{n=1}^\infty |a_n| が収束 \displaystyle \iff \sum_{n=1}^\infty |a_n|<\infty

です。特に右辺を絶対収束の意味で使うことが多いです。また,同様に

\displaystyle \sum_{n=1}^\infty |a_n| が発散 \displaystyle \iff \sum_{n=1}^\infty |a_n|=\infty

です。

一方で,絶対値のつかない \sum_{n=1}^\infty a_n は,振動する場合や -\infty に発散する場合もあるので,単に <\infty =\infty かを考えるのはダメです。

絶対収束と条件収束の包含関係の図

絶対収束・条件収束の具体例

いくつか具体例を挙げておきましょう。

例1(等比級数).

z\in \mathbb{C} とする。 \displaystyle \sum_{n=1}^\infty z^n は,

  1. |z|<1 のとき絶対収束し,
  2. |z|\ge 1 のとき発散する

z=1 のときは明らかでしょう。 z\ne 1 のとき,

\sum_{n=1}^\infty z^n = \frac{z(1-z^n)}{1-z}


ですから, |z|\ge 1 では発散しますね。また,|z|<1 のときは,

\begin{aligned}\sum_{n=1}^\infty |z^n| = \sum_{n=1}^\infty |z|^n &= \frac{|z|(1-|z|^n)}{1-|z|} \\&\xrightarrow{n\to\infty} \frac{|z|}{1-|z|} \end{aligned}


ですから,絶対収束します。

例2.

z\in \mathbb{C} とする。\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{z^n}{n} は,

  1. |z|<1 のとき絶対収束し,
  2. |z|=1,\, z\ne 1 のとき条件収束し,
  3. |z|>1 または z=1 のとき発散する


まず, \sum_{n=1}^\infty 1/n=\infty に注意してください。よって, |z|\ge 1 では絶対収束しません。2.については,【級数の収束判定法】ディリクレの定理とその証明で証明しています。 |z|>1 のときは和の中身について, z^n/n 0 に収束しないため,無限和は収束しません。

絶対収束・条件収束の性質まとめ

他にも,(絶対収束しないが)条件収束する十分条件を述べた定理があり,級数の収束・発散判定法13個まとめでまとめています。

なお,関数項級数における絶対収束・条件収束の話も面白いです。ただし,正確な主張を述べると長くなるので,関連記事のみリンクを貼っておきます。

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