Harmonikus sor
A matematikában a harmonikus sorozat a divergens végtelen sorozat:
∑ n = 1 ∞ 1 n = 1 + 1 2 + 1 3 + 1 4 + 1 5 + ⋯ {\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n}}=1+{\frac {1}{2}}}+{\frac {1}{3}}}+{\frac {1}{4}}+{\frac {1}{5}}+\cdots }
A divergens azt jelenti, hogy ahogy több kifejezést adunk hozzá, az összeg folyamatosan növekszik. Nem egyetlen véges érték felé halad.
A végtelen azt jelenti, hogy mindig hozzáadhat egy újabb kifejezést. A sorozatnak nincs utolsó terminusa.
A neve a zenei felharmonikusok fogalmából ered: egy rezgő húr felhangjainak hullámhossza a húr alaphullámhosszának 1/2, 1/3, 1/4 stb. része. Az első tagtól eltekintve a sorozat minden tagja a két oldalsó tag harmonikus átlaga. A harmonikus középérték kifejezés is a zenéből származik.
Történelem
Azt, hogy a harmonikus sorozatok divergálnak, először Nicole Oresme bizonyította be a 14. században, de elfelejtették. A 17. században Pietro Mengoli, Johann Bernoulli és Jacob Bernoulli adtak bizonyítékot.
A harmonikus szekvenciákat az építészek is használják. A barokk korszakban az építészek az alaprajzok, a homlokzatok arányaiban, valamint a templomok és paloták építészeti részletei közötti kapcsolatokban használták őket.
Divergencia
A harmonikus sorok divergenciájának több ismert bizonyítéka is van. Ezek közül néhányat az alábbiakban közlünk.
Összehasonlító teszt
A divergencia bizonyításának egyik módja, hogy a harmonikus sorozatot egy másik divergens sorozattal hasonlítjuk össze, ahol minden nevezőt a következő legnagyobb kettes hatványra cserélünk:
1 + 1 2 + 1 3 + 1 4 + 1 5 + 1 6 + 1 7 + 1 8 + 1 9 + ⋯ ≥ 1 + 1 2 + 1 4 + 1 4 + 1 4 + 1 8 + 1 8 + 1 8 + 1 8 + 1 8 + 1 8 + 1 16 + ⋯ {\displaystyle {\begin{aligned}&{}1+{\frac {1}{2}}+{\frac {1}{3}}+{\frac {1}{4}}+{\frac {1}{5}}+{\frac {1}{6}}+{\frac {1}{7}}}+{\frac {1}{8}}}+{\frac {1}{9}}+\cdots \\\[12pt]\geq {}&1+{\frac {1}{2}}+{\frac {1}{\color {red}{\mathbf {4}{\mathbf {4} }}}+{\frac {1}{4}}}+{\frac {1}{\color {red}{\mathbf {8}} }}}+{\frac {1}{\color {red}{\mathbf {8}} }}}+{\frac {1}{\color {red}{\mathbf {8}} }}}+{\frac {1}{8}}}+{\frac {1}{\color {red}{\mathbf {16}} }}}+\cdots \end{aligned}}}}
A harmonikus sorozat minden egyes tagja nagyobb vagy egyenlő a második sorozat megfelelő tagjával, ezért a harmonikus sorozat összegének nagyobbnak vagy egyenlőnek kell lennie a második sorozat összegével. A második sorozat összege azonban végtelen:
1 + ( 1 2 ) + ( 1 4 + 1 4 ) + ( 1 8 + 1 8 + 1 8 + 1 8 + 1 8 ) + ( 1 16 + ⋯ + 1 16 ) + ⋯ = 1 + 1 2 + 1 2 + 1 2 + 1 2 + 1 2 + 1 2 + ⋯ = ∞ {\displaystyle {\begin{aligned}&{}1+\left({\frac {1}{2}}}\right)+\left({\frac {1}{4}}}\!+\!{\frac {1}{4}}}\right)+\left({\frac {1}{8}}\!+\!{\!{\frac {1}{8}}}\!+\!{\frac {1}{8}}}\!+\!{\frac {1}{8}}\right)+\left({\frac {1}{16}}}\!+\!\cdots \!+\!{\frac {1}{16}}}\right)+\cdots \\\[12pt]={}&1+{\frac {1}{2}}+{\frac {1}{2}}+{\frac {1}{2}}}+{\frac {1}{2}}}+\cdots =\infty \end{aligned}}}}
Ebből következik (az összehasonlító teszt alapján), hogy a harmonikus sorok összegének is végtelennek kell lennie. Pontosabban, a fenti összehasonlítás azt bizonyítja, hogy
∑ n = 1 2 k 1 n ≥ 1 + k 2 {\displaystyle \sum _{n=1}^{2^{k}}}{\frac {1}{n}}\geq 1+{\frac {k}{2}}}}
minden k pozitív egész számra.
Ezt a bizonyítást, amelyet Nicole Oresme javasolt 1350 körül, a középkori matematika egyik csúcspontjának tekintik. Ma is a matematikaórákon tanított standard bizonyítás.
Integrált teszt
A harmonikus sorozat divergens voltát úgy lehet bizonyítani, hogy az összegét összehasonlítjuk egy helytelen integrállal. Tekintsük a jobb oldali ábrán látható téglalapok elrendezését. Minden téglalap 1 egység széles és 1/n egység magas, így a végtelen számú téglalapok összterülete a harmonikus sorozat összege:
téglalapok területe = 1 + 1 2 + 1 3 + 1 4 + 1 5 + ⋯ {\displaystyle {\begin{array}{c}{\text{area of}}\\\{\text{rectangles}\end{array}}=1+{\frac {1}{2}}+{\frac {1}{3}}+{\frac {1}{4}}+{\frac {1}{5}}+\cdots }
Az y = 1/x görbe alatti teljes területet 1-től a végtelenig egy divergens impropozitív integrál adja:
görbe alatti terület = ∫ 1 ∞ 1 x d x = ∞ . {\displaystyle {\begin{array}{c}{\text{area under}}\\\\{\text{görbe}}\end{array}}=\int _{1}^{\infty }{\frac {1}{x}}\,dx=\infty . }
Mivel ez a terület teljes egészében a téglalapokban van, a téglalapok teljes területének is végtelennek kell lennie. Ez azt bizonyítja, hogy
∑ n = 1 k 1 n > ∫ 1 k + 1 1 1 x d x = ln ( k + 1 ) . {\displaystyle \sum _{n=1}^{k}{\frac {1}{n}}>\int _{1}^{k+1}{\frac {1}{x}}\,dx=\ln(k+1). }
Ennek az érvnek az általánosítását integrálvizsgálatnak nevezik.


Az integrálvizsgálat illusztrációja.
Az eltérés mértéke
A harmonikus sorozat nagyon lassan válik szét. Például az első 1043 tag összege kevesebb, mint 100. Ez azért van, mert a sorozat részösszegeinek logaritmikus növekedése van. Különösen,
∑ n = 1 k 1 n = ln k + γ + ε k ≤ ( ln k ) + 1 {\displaystyle \sum _{n=1}^{k}{\frac {1}{n}}=\ln k+\gamma +\varepsilon _{k}\leq (\ln k)+1}
ahol γ az Euler-Mascheroni-állandó és εk ~ 1/2k, amely k végtelenbe menve közelít a 0-hoz. Leonhard Euler bizonyította mindezt, és azt is, hogy az összeg, amely csak a prímek reciprokát tartalmazza, szintén divergál, azaz:
∑ p prime 1 p = 1 2 + 1 3 + 1 5 + 1 7 + 1 11 + 1 13 + 1 17 + ⋯ = ∞ . {\displaystyle \sum _{p{\text{ prime }}}{\frac {1}{p}}={\frac {1}{2}}+{\frac {1}{3}}+{\frac {1}{5}}}+{\frac {1}{7}}}+{\frac {1}{11}}+{\frac {1}{13}}+{\frac {1}{17}}+\cdots =\infty . }
Részösszegek
Az első harminc harmonikus szám | |||||
n | A harmonikus sorozat részösszege, Hn |
| |||
törtben kifejezve | decimális | relatív méret |
| ||
1 | 1 | ~1 | 1
|
| |
2 | 3 | /2 | ~1.5 | 1.5
|
|
3 | 11 | /6 | ~1.83333 | 1.83333
|
|
4 | 25 | /12 | ~2.08333 | 2.08333
|
|
5 | 137 | /60 | ~2.28333 | 2.28333
|
|
6 | 49 | /20 | ~2.45 | 2.45
|
|
7 | 363 | /140 | ~2.59286 | 2.59286
|
|
8 | 761 | /280 | ~2.71786 | 2.71786
|
|
9 | 7129 | /2520 | ~2.82897 | 2.82897
|
|
10 | 7381 | /2520 | ~2.92897 | 2.92897
|
|
11 | 83711 | /27720 | ~3.01988 | 3.01988
|
|
12 | 86021 | /27720 | ~3.10321 | 3.10321
|
|
13 | 1145993 | /360360 | ~3.18013 | 3.18013
|
|
14 | 1171733 | /360360 | ~3.25156 | 3.25156
|
|
15 | 1195757 | /360360 | ~3.31823 | 3.31823
|
|
16 | 2436559 | /720720 | ~3.38073 | 3.38073
|
|
17 | 42142223 | /12252240 | ~3.43955 | 3.43955
|
|
18 | 14274301 | /4084080 | ~3.49511 | 3.49511
|
|
19 | 275295799 | /77597520 | ~3.54774 | 3.54774
|
|
20 | 55835135 | /15519504 | ~3.59774 | 3.59774
|
|
21 | 18858053 | /5173168 | ~3.64536 | 3.64536
|
|
22 | 19093197 | /5173168 | ~3.69081 | 3.69081
|
|
23 | 444316699 | /118982864 | ~3.73429 | 3.73429
|
|
24 | 1347822955 | /356948592 | ~3.77596 | 3.77596
|
|
25 | 34052522467 | /8923714800 | ~3.81596 | 3.81596
|
|
26 | 34395742267 | /8923714800 | ~3.85442 | 3.85442
|
|
27 | 312536252003 | /80313433200 | ~3.89146 | 3.89146
|
|
28 | 315404588903 | /80313433200 | ~3.92717 | 3.92717
|
|
29 | 9227046511387 | /2329089562800 | ~3.96165 | 3.96165
|
|
30 | 9304682830147 | /2329089562800 | ~3.99499 | 3.99499
|
|
A divergáló harmonikus sorok véges parciális összegei,
H n = ∑ k = 1 n 1 k , {\displaystyle H_{n}=\sum _{k=1}^{n}{\frac {1}{k}},}
harmonikus számoknak nevezzük.
A Hn és az ln n közötti különbség az Euler-Mascheroni-állandóhoz konvergál. Bármely két harmonikus szám különbsége soha nem egész szám. Egyetlen harmonikus szám sem egész szám, kivéve H1 = 1 esetén.
Kapcsolódó sorozatok
Váltakozó harmonikus sorozat
A sorozat
∑ n = 1 ∞ ( - 1 ) n + 1 n = 1 - 1 2 + 1 3 - 1 4 + 1 5 - ⋯ {\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n+1}}{n}}=1-{\frac {1}{2}}+{\frac {1}{3}}-{\frac {1}{4}}+{\frac {1}{5}}}-\cdots }
váltakozó harmonikus sorozatnak nevezik. Ez a sorozat a váltakozó sorozatok vizsgálatával konvergál. Különösen, hogy az összege egyenlő a 2 természetes logaritmusával:
1 - 1 2 + 1 3 - 1 4 + 1 5 - ⋯ = ln 2. {\displaystyle 1-{\frac {1}{2}}+{\frac {1}{3}}-{\frac {1}{4}}+{\frac {1}{5}}-\cdots =\ln 2.}
A váltakozó harmonikus sorozat, bár feltételesen konvergens, nem abszolút konvergens: ha a sorozat tagjait szisztematikusan átrendezzük, az összeg általában más lesz, és az átrendezéstől függően akár végtelenné is válhat.
A váltakozó harmonikus sorozat képlete a Mercator-sorozat speciális esete, a természetes logaritmus Taylor-sorozata.
Az arctangens Taylor-sorozatából levezethető egy kapcsolódó sorozat:
∑ n = 0 ∞ ( - 1 ) n 2 n + 1 = 1 - 1 3 + 1 5 - 1 7 + ⋯ = π 4 . {\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{2n+1}}=1-{\frac {1}{3}}+{\frac {1}{5}}}-{\frac {1}{7}}+\cdots ={\frac {\pi }{4}}}. }
Ez az úgynevezett Leibniz-sorozat.
Általános harmonikus sorozat
Az általános harmonikus sorozat a következő formájú
∑ n = 0 ∞ 1 a n + b , {\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{an+b}},}
ahol a ≠ 0 és b valós számok, és b/a nem nulla vagy negatív egész szám.
A harmonikus sorozatokkal való határérték-összehasonlító teszt szerint minden általános harmonikus sorozat is eltér.
p-sorozat
A harmonikus sorozat általánosítása a p-sorozat (vagy hiperharmonikus sorozat), amelyet a következőképpen határozunk meg
∑ n = 1 ∞ 1 n p {\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{p}}}}
bármely p valós számra. Ha p = 1, akkor a p-sorozat a harmonikus sorozat, amely divergál. Az integrálpróba vagy a Cauchy-féle sűrítési próba azt mutatja, hogy a p-sorozat minden p > 1 esetén konvergál (ebben az esetben túlharmonikus sorozatnak nevezzük), és minden p ≤ 1 esetén divergál. Ha p > 1, akkor a p-sorozat összege ζ(p), azaz a p-nél kiértékelt Riemann-zétafüggvény.
A p = 2 esetén az összeg megtalálásának problémáját bázeli problémának nevezzük; Leonhard Euler megmutatta, hogy π2/6. Az összeg értékét p = 3 esetén Apéry-állandónak nevezik, mivel Roger Apéry bebizonyította, hogy ez egy irracionális szám.
ln-sorozat
A p-sorozathoz kapcsolódik az ln-sorozat, amelyet a következőképpen határozunk meg
∑ n = 2 ∞ 1 n ( ln n ) p {\displaystyle \sum _{n=2}^{\infty }{\frac {1}{n(\ln n)^{p}}}}
bármely p pozitív valós számra. Ez az integrálpróba segítségével kimutatható, hogy p ≤ 1 esetén eltér, de minden p > 1 esetén konvergál.
φ-sorozat
Bármely konvex, valós értékű φ függvény esetében, amely úgy néz ki, hogy
lim sup u → 0 + φ ( u 2 ) φ ( u ) < 1 2 , {\displaystyle \limsup _{u\to 0^{+}}{\frac {\varphi \left({\frac {u}{2}}}\right)}{\varphi (u)}}<{\frac {1}{2}}},}
a sorozat
∑ n = 1 ∞ φ ( 1 n ) {\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }\varphi \left({\frac {1}{n}}\right)}
konvergens. []
Véletlen harmonikus sorozat
A véletlen harmonikus sorozat
∑ n = 1 ∞ s n n , {\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {s_{n}}{n}},}
ahol az sn független, azonos eloszlású véletlen változók, amelyek a +1 és -1 értékeket 1/2 valószínűséggel veszik fel, a valószínűségelméletben jól ismert példa a véletlen változók olyan sorozatára, amely 1 valószínűséggel konvergál. Ennek a konvergenciának a ténye vagy a Kolmogorov-féle háromsoros tétel, vagy a vele szorosan összefüggő Kolmogorov-féle maximális egyenlőtlenség egyszerű következménye. Byron Schmuland az Albertai Egyetemről tovább vizsgálta a véletlen harmonikus sorozat tulajdonságait, és kimutatta, hogy a konvergens sorozat egy olyan véletlen változó, amely néhány érdekes tulajdonsággal rendelkezik. Nevezetesen, hogy e véletlen változó valószínűségi sűrűségfüggvénye +2-nél vagy -2-nél értékelve 0,12499999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999764... értéket vesz fel, amely kevesebb mint 10-42 eltéréssel tér el az 1/8-tól. Schmuland tanulmánya megmagyarázza, hogy ez a valószínűség miért van olyan közel, de nem pontosan 1/8-hoz. Ennek a valószínűségnek a pontos értékét a végtelen koszinuszszorzat C2 integrálja osztva π-vel adja meg.
Kimerült harmonikus sorozat
A kimerített harmonikus sorozat, amelyből eltávolítjuk az összes olyan tagot, amelynek nevezőjében a 9-es számjegy bárhol megjelenik, konvergensnek bizonyul, és értéke kisebb, mint 80. Valójában, ha az összes olyan tagot eltávolítjuk, amely egy adott számjegysorozatot tartalmaz (bármely bázisban), a sorozat konvergál.

A váltakozó harmonikus sorozat első tizennégy részösszegének (fekete vonalszakaszok) konvergálása a 2 természetes logaritmusához (piros vonal).
Alkalmazások
A harmonikus sorozatok ellenkező értelműek lehetnek. Ez azért van, mert ez egy divergens sorozat, annak ellenére, hogy a sorozat feltételei egyre kisebbek és a nulla felé haladnak. A harmonikus sorozat divergenciája néhány paradoxon forrása.
- A "kukac a gumiszalagon". Tegyük fel, hogy egy végtelenül rugalmas, egy méteres gumiszalagon egy féreg kúszik végig, miközben a gumiszalag egyenletesen feszül. Ha a féreg percenként 1 centimétert halad, a szalag pedig percenként 1 métert nyúlik, eléri-e a féreg valaha is a gumiszalag végét? A válasz, ellentmondásos módon, "igen", mert n perc elteltével a féreg által megtett távolság és a gumiszalag teljes hosszának aránya a következő lesz
1 100 ∑ k = 1 n 1 k . {\displaystyle {\frac {1}{100}}\sum _{k=1}^{n}{\frac {1}{k}}}. }
Mivel a sorozat tetszőlegesen nagy lesz, ahogy n nagyobb lesz, végül ennek az aránynak meg kell haladnia az 1-et, ami azt jelenti, hogy a féreg eléri a gumiszalag végét. Az n értékének azonban, amelynél ez bekövetkezik, rendkívül nagynak kell lennie: körülbelül e100, ami több mint 1043 perc (1037 év). Bár a harmonikus sorozat valóban eltér, ez nagyon lassan történik.
- A Jeep-probléma azt a kérdést teszi fel, hogy mennyi üzemanyagra van szükség egy korlátozott üzemanyag-szállító kapacitású autónak, hogy átkeljen egy sivatagon, és az útvonal mentén üzemanyagcseppeket hagyjon. Az autó adott mennyiségű üzemanyaggal megtett távolsága a harmonikus sorok részösszegével függ össze, amelyek logaritmikusan nőnek. És így a szükséges üzemanyag exponenciálisan nő a kívánt távolsággal.
- A tömbhalmozási probléma: adott egy sor egyforma dominó, lehetséges-e azokat egy asztal szélén úgy egymásra rakni, hogy az asztal pereme fölé lógjanak anélkül, hogy leesnének. Az ellenkező értelmű eredmény az, hogy úgy lehet őket egymásra rakni, hogy a túlnyúlás akkora legyen, amekkorát csak akarunk. Feltéve, hogy elég dominó van.
- Egy úszó, aki minden egyes alkalommal gyorsabban megy, amikor megérinti a medence falát. Az úszó egy 10 méteres medencét 2 m/s sebességgel kezd átúszni, és minden egyes átúszással további 2 m/s sebességet ad hozzá a sebességéhez. Elméletileg az úszó sebessége korlátlan, de a medencén való átkelések száma, amelyek szükségesek a sebesség eléréséhez, nagyon nagy lesz; például a fénysebesség eléréséhez (a speciális relativitáselméletet figyelmen kívül hagyva) az úszónak 150 milliószor kell átkelnie a medencén. Ezzel a nagy számmal ellentétben az adott sebesség eléréséhez szükséges idő a medencén való átúszások adott számú sorozatának összegétől függ:
10 2 ∑ k = 1 n 1 k . {\displaystyle {\frac {10}{2}}}\sum _{k=1}^{n}{\frac {1}{k}}}. }
Az összeg kiszámítása azt mutatja, hogy a fénysebesség eléréséhez szükséges idő mindössze 97 másodperc.


A blokk-halmozási probléma: a harmonikus sorozat szerint sorba rendezett blokkok tetszőleges szélességű hasadékokat hidalnak át.
Kapcsolódó oldalak
- Harmonikus progresszió
- A reciprok összegek listája
Kérdések és válaszok
K: Mi az a harmonikus sorozat?
V: A harmonikus sorozat egy végtelen divergens sorozat, ahol minden tag egyenlő 1 osztva a sorozatban elfoglalt helyével.
K: Mit jelent az, hogy egy sorozat divergens?
V: A divergens azt jelenti, hogy ahogy több tagot adunk hozzá, az összeg soha nem szűnik meg növekedni, és nem halad egyetlen véges érték felé.
K: Mit jelent az, hogy egy sorozat végtelen?
V: A végtelen azt jelenti, hogy mindig hozzáadhatsz egy újabb tagot, és a sorozatnak nincs végtagja.
K: Honnan származik ennek a sorozatnak a neve?
V: A sorozat neve a zenei felharmonikusok gondolatából származik, ahol a felhangok hullámhossza a húr alaphullámhosszának 1/2, 1/3, 1/4 stb. része.
K: Mit jelent a felharmonikus?
V: Harmonikus középérték az, amikor egy sorozat minden tagja megegyezik a szomszédos tagjainak harmonikus középértékével. Ez a kifejezés is a zenéből származik.
K: Hogyan számoljuk ki a sorozat minden egyes tagját?
V: A sorozat minden egyes tagját úgy számolhatjuk ki, hogy elosztjuk eggyel a sorozatban elfoglalt helyével (1/n).