1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1......,這樣一個無限循環的算式,你知道等于幾嗎?
乍一看,可能會覺得非常簡單,但仔細想一想就會陷入迷茫之中,有人認為它等于1,有人認為它等于0,你覺得哪個答案是正確的呢?因為是一個無限循環的算式,所以要計算它的結果,就需要給它進行一下變形,按照基本的加減算式加括號的規則,這個算式可以變為這個樣子:1-(1-1)-(1-1)-(1-1)......,也就等于1-0-0-0......,很顯然,這個無限循環算式應該等于1。
如果只是到此為止,那么我們似乎已經找到了答案,但問題是這個無限循環算式不止能夠變換成上述的一種形式,還有另一種變形。
也就是變為:(1-1)+(1-1)+(1-1)+(1-1)......,按照加減算式的加括號規則,這種變形也是完全正確的,繼續進行計算就等于0+0+0+0......,所以這個無限循環算式的最終結果就是等于0。兩種算式的變形方式都沒有錯,計算也沒有錯,但最終的結果卻是完全不同的,這說明有一種計算方式錯了,也可能兩個都錯了。
其實除了這兩種計算方法之外,還有第三種方法。
我們可以將這個無限循環循環算式定義為X,那么-X就等于-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1......,把這個算式中的第一個-1單獨拿出來,后面的算式其實就是X,所以這個算式其實就是-1+X。既然-X=-1+X,那么2X就等于1,X就等于1/2。現在好了,除了0和1以外,現在又出現了第三種答案,這到底是怎么一回事呢?數學是最嚴謹的科學,同一個算式不可能出現三個不同的答案,根本原因在于這三種計算方式都不適用于這個無限循環算式。
幾個算式是一個級數,而級數可以分為收斂級數和分散級數。
什么是收斂級數呢?假如有一個無限循環算式是S1+S2+S3+S4......+Sn,隨著n趨向于無窮大,這個算式的結果會收斂為一個固定的極限值,那么這個級數就是一個收斂級數。而1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1......這個算式就不同了,1-1=0,1-1+1=1,1-1+1-1=0,1-1+1-1+1=1,答案會不斷在0和1之間跳躍,永遠呈現發散式,不會向一個固定的答案收斂,所以它是一個分散級數。
分散級數沒有固定的和嗎?也不是。
分散級數按照常規的計算方法是沒有固定的和的,但它存在著一個切薩羅和。具體的計算方法是這樣的,先要對這個算式的和取平均,算式是(1+0+1+0+1......)/n,此時我們會發現,當n等于1時,平均值為1/1,當n等于2時,平均值為1/2,當n等于3時,平均值為2/3,當n等于4時,平均值為2/4。據此,我們可以發現一個規律,那就是當算式和的數量為2n時,算式的和就等于n/2n,也就是1/2。所以這個級數的切薩羅和就是1/2。
這不是與一開始使用的第三種方法計算出的最終結果一樣嗎?
的確是一樣的,但這并不意味著前面的第三種計算方法是正確的,它們只是恰好結果一樣罷了。而且前面那種方法計算的是級數的和,而我們后面計算的是分散級數的切薩羅和。那么“和”與“切薩羅和”到底有何區別呢?你可以認為“和”是現實世界存在的答案,切薩羅和則主要是數學意義上的,而切薩羅和本身在數學領域也有著諸多應用。當然,切薩羅法只是計算分散級數的一種方法,除此之外還有好幾種其他方法,未來我們再做介紹。
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