1 − 2 + 3 − 4 + · · ·

1 − 2 + 3 − 4 + … serisi kısmi toplamlarının ilk birkaç bin adedi

Matematikte 1 - 2 + 3 - 4 + ..., terimlerinin işaretleri sırasıyla değişen ardışık pozitif tam sayıların oluşturduğu sonsuz bir seridir. Serinin ilk m teriminin toplamı, Sigma toplama gösterimi kullanılarak şöyle ifade edilebilir:

$\sum _{n=1}^{m}n(-1{)}^{n-1}$

Bu sonsuz seri ıraksaktır çünkü kısmi toplamlarının dizisi (1, -1, 2, -2, ...) herhangi bir limit değere yakınsamaz. Ancak, 18. yüzyılın ortalarında Leonhard Euler, bir paradoks olduğunu kabul ettiği şu eşitliği yazmıştır:

$1-2+3-4+\cdots =\frac{1}{4}$

Buna yönelik titiz bir açıklama çok sonraları yapılabilmiştir. 1890'dan itibaren Ernesto Cesàro, Émile Borel ve diğerleri, Euler'in girişimlerine yeni yorumlar da getirecek şekilde, ıraksak serilere genellenmiş toplamlar atamak için iyi tanımlanmış yöntemler araştırdılar. Bu toplanabilirlik yöntemlerinin birçoğu, 1 - 2 + 3 - 4 + ... serisinin Şablon:Frac'e eşit olduğunu kolayca göstermektedir. Cesàro toplaması ise bu seriye bir değer atamayan az sayıdaki yöntemden biridir. Dolayısıyla bu seri, Abel toplaması gibi daha kuvvetli bir yöntemin kullanılması gereken serilere örnektir.

1 - 2 + 3 - 4 + ... serisi ile Grandi serisi (1 - 1 + 1 - 1 + …) yakından ilintilidir ve Euler tarafından, herhangi bir n için 1 - 2ⁿ + 3ⁿ - 4ⁿ + ... serisinin özel durumları olarak değerlendirilmişlerdir. Bu yaklaşım, Euler'in Basel problemi üzerindeki çalışmasını genişleten ve oradan da bugün Dirichlet eta fonksiyonu ile Riemann zeta fonksiyonu olarak bilinen fonksiyonel eşitliklere yönlendiren bir araştırma alanıdır.

Iraksaklık

Serinin terimleri (1, −2, 3, −4, …) hem + hem de − yönde 0'dan uzaklaştığı için, 1 − 2 + 3 − 4 + ... serisi terim testi bağlamında ıraksaktır. İleriki bahisler açısından, ıraksamayı temel bir yaklaşımla değerlendirmek de faydalı olur. Tanım olarak, sonsuz bir serinin yakınsama veya ıraksama niteliğini, o serinin kısmi toplamlar dizisinin yakınsaması veya ıraksaması belirler. Şablon:Kayma'in kısmi toplamları ise şöyledir:

1 = 1,

1 − 2 = −1,

1 − 2 + 3 = 2,

1 − 2 + 3 − 4 = −2,

1 − 2 + 3 − 4 + 5 = 3,

1 − 2 + 3 − 4 + 5 − 6 = −3,

...

Bu kısmi toplam dizisi serinin herhangi bir sayıya yakınsamadığını açıkça göstermektedir çünkü önerilecek herhangi bir x limiti için, belli bir noktadan sonra kısmi toplamların hepsinin [x-1, x+1] aralığının dışında olduğunu bulabiliriz. Dolayısıyla, Şablon:Kayma ıraksaktır.

Bu kısmi toplam dizisinin her bir tam sayıyı bir kez içermesi de dikkate değerdir çünkü $\mathbb{Z}$ tam sayılar kümesinin sayılabilirliğini gösterir.

Toplama için buluşsal yöntemler

Kararlılık ve doğrusallık

1, −2, 3, −4, 5, −6, … terimleri basit bir düzen izlediği için, kaydırma ve terim terim toplama yöntemini kullanarak, Şablon:Kayma serisi sayısal bir değer verecek şekilde düzenlenebilir. Herhangi bir s sayısı için Şablon:Kayma eşitliği yazılabiliyorsa, aşağıdaki düzenlemeler Şablon:Kayma eşitliğini göstermektedir:

4s = (1-2+3-4+5-6+...)+(1-2+3-4+5-6+...)+(1-2+3-4+5-6+...)+(1-2+3-4+5-6+...)

   = (1-2+3-4+5-6+...)+1+(-2+3-4+5-6+...)+1+(-2+3-4+5-6+...)+1-2+(3-4+5-6+...)

   = (1-2+3-4+5-6+...)+1+(-2+3-4+5-6+...)+1+(-2+3-4+5-6+...)-1+(3-4+5-6+...)

   = (1+1-1)+(1-2-2+3)+(-2+3+3-4)+(3-4-4+5)+(-4+5+5-6)+...

   = (1)+(0)+(0)+(0)+(0)+...

   = 1

ve

 s = Şablon:Frac

Yalnızca kaydırma ve terim terim toplama yöntemi kullanılarak Şablon:Kayma serisinin dört kopyası toplandığında, 1 elde edilir. Şeklin her iki yanında, Şablon:Kayma'in iki kopyasının Şablon:Kayma'e eklenmesi gösterilmiştir.

Bu çıkarım, sağdaki şekilde grafik olarak anlatılmaktadır.

Şablon:Kayma'in alışılmış anlamda bir toplamı olmasa da eğer bir toplam tanımlanacaksa, Şablon:Kayma eşitliği bunun en doğal yanıtı olarak desteklenebilir. Iraksak bir serinin "toplamı"nı gösteren genellenmiş bir tanım, toplama yöntemi ya da toplanabilirlik yöntemi olarak adlandırılır. Bu yöntem, tüm olası ıraksak serilerin bazı alt kümelerini toplar. Kimileri aşağıda anlatılmış olmak üzere, sıradan toplama ile paylaştıkları özelliklerine göre betimlenen pek çok değişik yöntem vardır. Yukarıda gösterilmiş düzenlemelerin bilfiil kanıtladığı ise şudur: doğrusal ve kararlı olan herhangi bir toplama yöntemi ile Şablon:Kayma serisi toplandığında, elde ettiği sonuç Şablon:Frac olur.

Ayrıca bu yöntem, Grandi serisi toplamını da Şablon:Kayma olarak hesaplamalıdır:

2s = (1-2+3-4+5-6+...)+(1-2+3-4+5-6+...)

   = 1+(-2+3-4+5-6+...)+1-2+(3-4+5-6+...)

   = (1+1-2)+(-2+3)+(3-4)+(-4+5)+(5-6)+...

   = (0)+(1)+(-1)+(1)+(-1)+...

   = 1-1+1-1+...

ve

2s = 2 x Şablon:Frac = Şablon:Frac  'den

1-1+1-1+... = Şablon:Frac

Cauchy çarpımı

1891'de Ernesto Cesàro, ıraksak serilerin titiz yöntemlerle kalkülüs bünyesine alınabileceklerine ilişkin görüşünü dile getirmiş ve bunu, "Şablon:Kayma eşitliğinin sağlandığı ve eşitliğin her iki tarafının Şablon:Frac'e eşit olduğu zaten biliniyor" diye ifade etmiştir. Cesàro'ya göre bu eşitlik, bir önceki yıl yayınladığı ve muhtemelen de toplanabilir ıraksak seriler tarihinin ilk teoremi olarak tanımlanabilecek bir teoremin uygulamasıydı. Onun toplama yönteminin ayrıntıları aşağıda sunulmuştur; ana fikir ise Şablon:Kayma serisinin, Şablon:Kayma ile Şablon:Kayma'in Cauchy çarpımına eşit olduğudur.

İki sonsuz serinin Cauchy çarpımı, iki seri de ıraksak olsa bile tanımlıdır. Σa_n = Σb_n = Σ(−1)ⁿ koşulu sağlandığında, Cauchy çarpımının terimleri sonlu çapraz toplamlar ile ifade edilir.

$\begin{array}{ccc}{c}_n& =& \sum _{k=0}^n{a}_k{b}_{n-k}=\sum _{k=0}^n(-1{)}^k(-1{)}^{n-k}\\ & =& \sum _{k=0}^n(-1{)}^n=(-1{)}^n(n+1)\end{array}$

Böylece, çarpım serisi

$\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}(-1{)}^n(n+1)=1-2+3-4+\cdots$

olarak yazılabilir.

Dolayısıyla, iki serinin Cauchy çarpımını temel alan ve Şablon:Kayma toplamını hesaplayabilen toplama yöntemi, Şablon:Kayma'ü de bulacaktır. Önceki bölümün sonuçlarıyla birlikte bu, Şablon:Kayma ve Şablon:Kayma'in doğrusal, kararlı ve Cauchy çarpımını temel alan yöntemlerle toplanabilirlikleri arasında bir eşdeğerlik olduğunu gösterir.

Şablon:Kayma serisi, Cesàro yönteminin en temel haliyle toplanabilirdir ve Şablon:Kayma olarak adlandırılır. Şablon:Kayma içinse bu teoremin daha güçlü bir biçiminin uygulanması gerektiğinden, Şablon:Kayma olarak tanımlanır. Cesàro teoreminin tüm biçimleri doğrusal ve kararlı olduğundan, elde edilen toplamlar yukarıda hesaplandığı gibidir.

Özel yöntemler

Cesàro ve Hölder

Şablon:Frac'e eşit olan (H, 2) toplamına ilişkin veriler

Eğer varsa, 1 − 2 + 3 − 4 + … ifadesinin (C, 1) Cesàro toplamını bulmak için dizinin kısmi toplamlarının aritmetik ortalamalarını hesaplanmak gerekir. Kısmi toplamlar

1, −1, 2, −2, 3, −3, …

iken, bu kısmi toplamların aritmetik ortalamaları da şöyledir:

1, 0, Şablon:Frac, 0, Şablon:Frac, 0, Şablon:Frac, …

Bu dizi yakınsak olmadığı için, 1 − 2 + 3 − 4 + … Cesàro yöntemiyle toplanamaz.

Cesàro toplamasının iyi bilinen iki genellemesi vardır. Bunların kavramsal bakımdan daha basit olanı, n doğal sayıları için kullanılan (H, n) yöntemler dizisidir. (H, 1), Cesàro toplamasını ifade etmektedir; daha üst düzey yöntemlerde de ortalama hesapları yinelenir. Yukarıda elde edilen ortalamalar dizisinde çift sıra numaralı olanlar Şablon:Frac'ye yakınsarken, tek sıra numaralı olanların tümü sıfırdır. Böylece, ortalamaların ortalaması, 0 ve Şablon:Frac'nin ortalaması olan Şablon:Frac'e yakınsar. Sonuç olarak Şablon:Kayma, (H, 2) yöntemiyle Şablon:Frac olarak toplanabilir.

"H", Otto Hölder'e karşılık gelmektedir. Hölder, matematikçilerin bugün Abel toplamı ve (H, n) toplamı arasındaki bağlantı olarak düşündükleri ilişkiyi 1882'de ilk kez kanıtlayan kişidir ve Şablon:Kayma'yi de ilk örnek olarak sunmuştur. Şablon:Kayma'in (H, 2) toplamının Şablon:Frac'e eşit oluşu, bunun bir Abel toplamı olduğunu da garantilemektedir; bu ilişki aşağıda ıspatlanacaktır.

Cesàro toplamasının diğer genellemesi ise (C, n) yöntemler dizisidir. (C, n) ve (H, n) toplamalarının aynı sonucu verdiği kanıtlanmıştır ancak bu iki yöntem farklı tarihi köklere sahiptir. Cesàro, 1887'de (C, n) toplamasını tanımlamaya çok yaklaşmış ama sınırlı sayıda örnekler vermiştir. Yaptığı şey, bugün (C, n) olarak adlandırılabilecek ancak zamanında o şekilde doğrulanmamış bi yöntemle Şablon:Kayma toplamını Şablon:Frac olarak hesaplamak olmuştur. (C, n) yöntemlerini 1890'da usule uygun şekilde tanımlayan Cesàro, (C, n)-toplanabilir bir seri ile (C, m)-toplanabilir bir serinin Cauchy çarpımının (C, m + n + 1)-toplanabilir olduğunu ortaya koyan teoremini bu tanıma dayandırmıştır.

Abel toplamı

1−2x+3x²+…; 1/(1 + x)²'nin bazı parçaları ve 1 noktasındaki limitleri

Leonhard Euler, 1749 tarihli bir yazısında serinin ıraksadığını kabul etmekte ancak yine de toplamını hesaplamayı amaçlamaktadır:

Euler, "toplam" sözcüğünün bir genellenmesini birçok kez önermiştir. Onun Şablon:Kayma serisine ilişkin görüşleri, bugün Abel toplaması olarak bilinen kavrama çok benzerdir:

En azından |x|<1 olan mutlak değerler için, Euler'in

Şablon:Kayma

eşitliği konusunda haklı olduğu çeşitli yöntemlerle görülebilir. Eşitliğin sağ tarafının Taylor açılımı alınabilir ya da polinomlar için uzun bölme işlemi uygulanabilir. Sol taraftan başlandığında, yukarıda anlatılmış genel kestirme yöntemler izlenerek polinom (1+x) ile iki kez çarpılabilir ya da Şablon:Kayma geometrik serisinin karesi alınabilir. Ayrıca Euler, bu son serinin türevinin alınmasını da öneriyor gibidir.

Modern görüşe göre, Şablon:Kayma serisi x=1 için herhangi bir fonksiyon tanımlamaz; dolayısıyla da bu değer, elde edilen ifadedeki yerine doğrudan konamaz. Fonksiyon tüm |x|<1 değerleri için tanımlı olduğundan, x→1 (x, 1'e yaklaşırken) için limit alınabilir ve bu da Abel toplamının tanımını oluşturur:

$\underset{x\to 1^{-}}{\lim }\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}n(-x{)}^{n-1}=\underset{x\to 1^{-}}{\lim }\frac{1}{(1+x{)}^2}=\frac{1}{4}$

Euler ve Borel

Serinin, Euler yöntemiyle Şablon:Kayma'e toplanması

Euler, kendi ürettiği bir yöntem olan Euler dönüşümünü de bu seriye uygulamıştır. Euler dönüşümünü hesaplamaya, seriyi oluşturan pozitif tam sayıların dizisi olan Şablon:Kayma'den başlanır; dizinin ilk elemanı a₀ olarak adlandırılır.

Sonra, Şablon:Kayma'ün elemanları arasındaki ileri farkların dizisi hesaplanmalıdır. Sonuç Şablon:Kayma'e eşittir ve bu dizinin ilk elemanı ise Δa₀ diye adlandırılır. Euler dönüşümü, farkların farkları ve benzeri daha ileri tekrarlara da dayalıdır ama Şablon:Kayma'in tüm ileri farkları sıfıra eşittir. Dolayısıyla, Şablon:Kayma'nın Euler dönüşümü şöyle tanımlanır:

$\frac{1}{2}{a}_0-\frac{1}{4}\mathrm{\Delta }{a}_0+\frac{1}{8}{\mathrm{\Delta }}^2{a}_0-\cdots =\frac{1}{2}-\frac{1}{4}$ .

Böylece, günümüz terminolojisiyle, Şablon:Kayma serisi Euler toplamının Şablon:Frac olduğu ifade edilir.

Euler toplanabilirliği, farklı bir diğer toplanabilirliğe de işaret edebilmektedir. Şablon:Kayma serisinin

$\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}{a}_k=\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}(-1{)}^k(k+1)$

biçiminde ifade edilmesiyle, tümüyle yakınsak olan

$a(x)=\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(-1{)}^k(k+1)x^k}{k!}=e^{-x}(1-x)$

serisi elde edilir. Böylece, 1 − 2 + 3 − 4 + … için Borel toplamı

$\underset{0}{\overset{\mathrm{\infty }}{\int }}{e}^{-x}a(x)dx=\underset{0}{\overset{\mathrm{\infty }}{\int }}{e}^{-2x}(1-x)dx=\frac{1}{2}-\frac{1}{4}$

olarak hesaplanır.

Ölçeklerin ayrılması

Saichev ve Woyczyński, yalnızca iki fiziksel ilke uygulayarak Şablon:Kayma eşitliğine ulaşırlar. Sonsuz küçüklükte gevşeme ve ölçeklerin ayrılması adlı bu ilkeler, onları seriyi Şablon:Frac'e toplayan geniş bir "φ-toplama yöntemleri" ailesini tanımlamaya yönlendirir:

• φ(x), ilk ve ikinci türevi sürekli olan ve (0, ∞) aralığında integrali tanımlı bir fonksiyonsa ve φ(x) ile xφ(x)'in +∞'daki limitleri sıfıra eşitse,

$\underset{\delta \to 0}{\lim }\sum _{m=0}^{\mathrm{\infty }}(-1{)}^m(m+1)\phi (\delta m)=\frac{1}{4}$

sonucu elde edilir.

Bu sonuç, φ(x) yerine exp(-x) (Şablon:Frac) konarak elde edilebilen Abel toplamının genellemesidir. Genel ifade, seri terimlerinin m üzerinde eşleştirilmesi ve ifadenin Riemann integraline dönüştürülmesiyle kanıtlanabilir. Sonraki adımda, Şablon:Kayma serisinin genel kanıtı için ortalama değer teoremi uygulanır. Ancak bu işlem, Taylor teoreminin daha güçlü olan Lagrange biçimine gerek duymaktadır.

Genellemeler

Tahminen 1755 tarihli E212 — Institutiones calculi differentialis cum eius usu in analysi finitorum ac doctrina serierumŞablon:'den bir bölüm: Euler, benzer serilerin toplanışını gösteriyor.

Şablon:Kayma'in üç katlı Cauchy çarpımı olan Şablon:Kayma, üçgensel sayıların almaşık serisidir. Bu serinin Abel ve Euler toplamı Şablon:Frac'dir. Şablon:Kayma'in dört katlı Cauchy çarpımı Şablon:Kayma ise tetrahedral sayıların almaşık serisidir ve Abel toplamı Şablon:Frac'dır.

Şablon:Kayma'in biraz daha farklı bir genellemesiyse, nŞablon:'in farklı değerleri için Şablon:Kayma serisidir. Pozitif n tam sayıları için bu dizinin Abel toplamı aşağıdaki gibidir; formüldeki B_n, Bernoulli sayılarını ifade eder:

$1-2^n+3^n-\cdots =\frac{2^{n+1}-1}{n+1}{B}_{n+1}$

nŞablon:'in çift değerleri için,

$1-2^{2k}+3^{2k}-\cdots =0$

ifadesine sadeleşen bu toplam, Niels Henrik Abel'e 1826 yılında şöyle alay konusu olmuştur:

Cesàro'nun öğretmeni Eugène Charles Catalan da ıraksak dizileri hor görmüştür. Öğretmeninin de etkisiyle Cesàro önceleri, Şablon:Kayma için üretilmiş "geleneksel" formülleri "saçma eşitlikler" olarak nitelemiş ve 1883'te de zamanın tipik görüşleri doğrultusunda, bu formüllerin yanlış olduğunu ancak bir şekilde işe yaradıklarını söylemiştir. Nihayet 1890'de, yazdığı Sur la multiplication des séries adlı yapıtında, tanımlardan başlayarak çağdaş bir yaklaşım sergilemiştir.

Şablon:Kayma serisi, n'in tam sayı olmayan değerleri için de incelenmiştir ki, bunlar Dirichlet eta fonksiyonunu oluştururlar. Euler'in Şablon:Kayma ile ilintili seriler üzerinde çalışmaya yönelmesinin bir nedeni, eta fonksiyonunun, doğrudan Riemann zeta fonksiyonu fonksiyonel eşitliğine yönlendiren bir fonksiyonel eşitlik olmasıdır. Euler, bu fonksiyonların pozitif çift tam sayılar kümesindeki değerlerini Basel problemini de içerecek şekilde bulmasıyla zaten ünlenmişti ve aynı başarıyı, Apéry sabitini de içerecek şekilde, pozitif tek tam sayılar kümesi için de yinelemeye çalışıyordu. Bu problem günümüzde hâlâ çözülememiştir. Eta fonksiyonu üzerinde Euler yöntemleriyle uğraşmak daha kolaydır çünkü bu fonksiyonun Dirichlet serisini, herhangi bir kompleks sayı için Abel yöntemiyle toplamak mümkündür. Zeta fonksiyonunun Dirichlet serisi ise ıraksamaya başladığı noktadan itibaren çok daha zor toplanır. Örneğin, Şablon:Kayma serisinin zeta fonksiyonundaki karşılığı, işaretleri ardışık değişkenlik göstermeyen Şablon:Kayma serisidir. Bu serinin modern fizikte önemli uygulama alanları olsa da toplanması için çok daha güçlü yöntemler gereklidir.

Ayrıca bakınız

• Grandi serisi (1 - 1 + 1 - 1 + ...)
• 1 + 2 + 3 + 4 + · · ·

Kaynakça

Özel

Genel

• Beals, Richard (2004). Analysis: an introduction. Cambridge UP. ISBN 0-521-60047-2 Şablon:Webarşiv.
• Davis, Harry F. (Mayıs 1989). Fourier Series and Orthogonal Functions. Dover. ISBN 0-486-65973-9.
• Euler, Leonhard; Willis, Lucas; Osler, Thomas J. (2006). Translation with notes of Euler's paper: Remarks on a beautiful relation between direct as well as reciprocal power seriesŞablon:Webarşiv. The Euler Archive. (Orijinal yayın: Euler, Leonhard (1768). "Remarques sur un beau rapport entre les séries des puissances tant directes que réciproques". Memoires de l'academie des sciences de Berlin, 17:83–106)
• Ferraro, Giovanni (Haziran 1999). "The First Modern Definition of the Sum of a Divergent Series: An Aspect of the Rise of 20th Century Mathematics". Archive for History of Exact Sciences, 54(2): 101–135. DOI 10.1007/s004070050036.
• Grattan-Guinness, Ivor (1970). The development of the foundations of mathematical analysis from Euler to Riemann. MIT Press. ISBN 0-262-07034-0.
• Hardy, G.H. (1949). Divergent Series, s. 8. Clarendon Press. Kongre Kütüphanesi kontrol numarası 91-75377.
• Kline, Morris (Kasım 1983). "Euler and Infinite Series"Şablon:Webarşiv. Mathematics Magazine, 56(5):307-314.
• Lavine, Shaughan (1994). Understanding the Infinite. Harvard UP. ISBN 0674920961.
• Markushevich, A.I. (1967). Series: fundamental concepts with historical exposition. Hindustan Pub. Corp. Kongre Kütüphanesi kontrol numarası 68-17528.
• Saichev, A.I. ve Woyczyński, W.A. (1996). Distributions in the physical and engineering sciences, Volume 1. Birkhaüser. ISBN 0-8176-3924-1
• Tucciarone, John (Ocak 1973). "The development of the theory of summable divergent series from 1880 to 1925". Archive for History of Exact Sciences, 10(1-2): 1-40. DOI 10.1007/BF00343405.
• Vretblad, Anders (2003). Fourier Analysis and Its Applications. Springer. ISBN 0387008365 Şablon:Webarşiv.
• Weidlich, John E. (Haziran 1950). Summability methods for divergent series. Stanford Master of Science (master) tezi. Çevrimiçi bilgisayar kütüphanesi merkezi: 38624384 Şablon:Webarşiv.