無限正項級数は順序変更出来る

by nomura · 2023年1月28日

無限正項級数は順序変更出来る
数列\(\left(a_{k}\right)\)の各項が\(a_{k}\geq0\)を満たし、自然数の間の全単射を\(\sigma:\mathbb{N}\rightarrow\mathbb{N}\)とすると、
\[ \sum_{k=1}^{\infty}a_{k}=\sum_{k=1}^{\infty}a_{\sigma\left(k\right)} \] となる。
すなわち無限正項級数は順序変更できる。

任意の自然数\(n\)に対し、
\[ N_{n}=\max_{1\leq k\leq n}\sigma\left(k\right) \] とすると、
\[ \sum_{k=1}^{n}a_{\sigma\left(k\right)}\leq\sum_{k=1}^{N_{n}}a_{k} \] となり、\(n\rightarrow\infty\)とすると、
\[ \sum_{k=1}^{\infty}a_{\sigma\left(k\right)}\leq\sum_{k=1}^{\infty}a_{k} \] となる。
\(\sigma\left(k\right)\)は\(\sigma\)の逆写像によって\(k\)になるので、
\begin{align*} \sum_{k=1}^{\infty}a_{k} & =\sum_{k=1}^{\infty}a_{\sigma^{\bullet}\left(\sigma\left(k\right)\right)}\\ & \leq\sum_{k=1}^{\infty}a_{\sigma\left(k\right)} \end{align*} も成り立つ。
これより、
\[ \sum_{k=1}^{\infty}a_{k}=\sum_{k=1}^{\infty}a_{\sigma\left(k\right)} \] が成り立つので無限正項級数は順序変更出来る。