阿贝尔定理

阿貝爾定理是冪級數的一個重要結果。

定理

設${\displaystyle f(z)=\sum _{n\geq 0}a_{n}z^{n}}$ 為一冪級數，其收斂半徑為R。若对收敛圆（模长为 R 的复数的集合）上的某个复数${\displaystyle z_{0}}$ ，级数${\displaystyle \sum _{n\geq 0}a_{n}z_{0}^{n}}$ 收斂，則有: ${\displaystyle \lim _{t\to 1^{-}}f(tz_{0})=\sum _{n\geq 0}a_{n}z_{0}^{n}}$ 。

若${\displaystyle \sum _{n\geq 0}a_{n}R^{n}}$ 收斂，則結果顯然成立，無須引用這个定理。

证明

设级数${\displaystyle \sum _{n\geq 0}a_{n}z_{0}^{n}}$ 收斂，下面证明：

${\displaystyle \lim _{t\to 1^{-}}f(tz_{0})=\lim _{t\to 1^{-}}\sum _{n\geq 0}a_{n}t^{n}z_{0}^{n}=\sum _{n\geq 0}a_{n}z_{0}^{n}}$ 

令${\displaystyle b_{n}=a_{n}z_{0}^{n}}$ ，则幂级数${\displaystyle \sum _{n\geq 0}b_{n}z^{n}}$  的收敛半径为1，并且只需证明

${\displaystyle \lim _{t\to 1^{-}}\sum _{n\geq 0}b_{n}t^{n}=\sum _{n\geq 0}b_{n}}$ 

令${\displaystyle b_{0}^{\prime }=b_{0}-\sum _{n\geq 0}b_{n}}$ ，则可化归到${\displaystyle \sum _{n\geq 0}b_{n}=0}$ ，于是以下只需要考虑${\displaystyle \sum _{n\geq 0}b_{n}=0}$  的情况。

设${\displaystyle S_{n}=\sum _{k=0}^{n}b_{n}}$ ，那么${\displaystyle \lim _{n\to +\infty }S_{n}=0}$ 。由幂级数性质可知${\displaystyle \sum _{n\geq 0}S_{n}z^{n}}$  的收敛半径也是1。于是

${\displaystyle .\ \ \lim _{N\to +\infty }\sum _{n=0}^{N}b_{n}t^{n}=\lim _{N\to +\infty }\sum _{n=0}^{N}(S_{n}-S_{n-1})t^{n}}$ 

${\displaystyle =\lim _{N\to +\infty }\left(\sum _{n=0}^{N-1}S_{n}(t^{n}-t^{n+1})+S_{N}t^{N}\right)}$ 

${\displaystyle =(1-t)\sum _{n=0}^{\infty }S_{n}t^{n}}$ （因为${\displaystyle \lim _{n\to +\infty }S_{n}t^{n}=0}$ ）

对于任意的${\displaystyle \epsilon >0}$ ，固定${\displaystyle N_{0}}$  使得

${\displaystyle \forall m>N_{0}}$ ，${\displaystyle |s_{m}|<{\frac {\epsilon }{2}}}$ 

再固定${\displaystyle \delta }$ 使得

${\displaystyle \forall 0\leq t\leq \delta }$ ，${\displaystyle |1-t|\sum _{n=0}^{N_{0}}S_{n}\leq {\frac {\epsilon }{2}}}$ 

于是对${\displaystyle \forall 0\leq t\leq \delta }$ ，

${\displaystyle .\ \ |\lim _{N\to +\infty }\sum _{n=0}^{N}b_{n}t^{n}|\leq |(1-t)\sum _{n=0}^{N_{0}}S_{n}t^{n}|+|(1-t)\sum _{n=N_{0}+1}^{\infty }S_{n}t^{n}|}$ 

${\displaystyle \leq {\frac {\epsilon }{2}}+|1-t|{\frac {\epsilon }{2}}\sum _{n=N_{0}+1}^{\infty }|t|^{n}\leq {\frac {\epsilon }{2}}+{\frac {\epsilon }{2}}{\frac {|1-t|}{1-|t|}}}$ 

${\displaystyle \displaystyle =\epsilon }$ 

这就证明了

${\displaystyle \lim _{t\to 1^{-}}\sum _{n\geq 0}b_{n}t^{n}=0=\sum _{n\geq 0}b_{n}}$ 

于是阿贝尔定理得证。

从证明中可以看出，对于一个固定的正数${\displaystyle \alpha }$ ，设区域：

${\displaystyle D_{\alpha }=\left\{|t|\leq 1\mid {\frac {|1-t|}{1-|t|}}\leq \alpha \right\}}$ 

那么只要${\displaystyle t}$  在${\displaystyle D_{\alpha }}$ 趋近于1，就有阿贝尔定理成立。

例子和应用

阿贝尔定理的一个有用应用是计算已知收敛级数。方法是通过在级数每项后加上${\displaystyle x^{n}}$ 项，将问题转换为幂级数求和，最后再计算 x 趋于 1 时幂级数的极限。由阿贝尔定理可知，这个极限就是原级数的和。

1. 为计算收敛级数${\displaystyle \sum _{n\geq 1}{\frac {(-1)^{n+1}}{n}}}$ ，設${\displaystyle f(x)=\sum _{n\geq 1}{\frac {(-1)^{n+1}x^{n}}{n}}=\log(1+x)}$ 。于是有${\displaystyle \sum _{n\geq 1}{\frac {(-1)^{n+1}}{n}}=\lim _{x\to 1^{-}}f(x)=\log 2}$ 
2. 为计算收敛级数${\displaystyle \sum _{n\geq 0}{\frac {(-1)^{n}}{2n+1}}}$ ，設${\displaystyle g(x)=\sum _{n\geq 0}{\frac {(-1)^{n}x^{2n+1}}{2n+1}}=\arctan(x)}$ 。因此有${\displaystyle \lim _{x\to 1^{-}}g(x)=\arctan(1)={\frac {\pi }{4}}=\sum _{n\geq 0}{\frac {(-1)^{n}}{2n+1}}}$ 

参考来源

• （法文）Srishti.D.Chatterji. Cours d'Analyse. Editions polytechniques et universitaires romandes. 1997. 
• （法文）Alekseev. Theorème D'Abel: Un Cours D'Arnold. Cassini. 2007.