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阿贝尔变换与部分和估计

拓展更新于 2026-09-29

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当单项正负交错,但部分和容易控制时,可以把加权和改写成“部分和乘权重差”。全文只涉及有限求和。

有限分部求和公式

设 a1,…,an,b1,…,bna_1,\ldots,a_n,b_1,\ldots,b_n 为实数,记 A0=0A_0=0,Ak=∑i=1kaiA_k=\sum_{i=1}^k a_i。由 ak=Ak−Ak−1a_k=A_k-A_{k-1},移位相减得到

∑k=1nakbk=Anbn+∑k=1n−1Ak(bk−bk+1).\sum_{k=1}^n a_kb_k=A_nb_n+\sum_{k=1}^{n-1}A_k(b_k-b_{k+1}).

具体地,右侧展开为 A1b1+(A2−A1)b2+⋯+(An−An−1)bnA_1b_1+(A_2-A_1)b_2+\cdots+(A_n-A_{n-1})b_n,即左侧。n=1n=1 时第二个求和为空,公式仍成立。

部分和控制加权和

若所有 ∣Ak∣≤M|A_k|\le M,M≥0M\ge0,则由三角不等式

∣∑k=1nakbk∣≤M(∣bn∣+∑k=1n−1∣bk−bk+1∣).\left|\sum_{k=1}^n a_kb_k\right|\le M\left(|b_n|+\sum_{k=1}^{n-1}|b_k-b_{k+1}|\right).

若 bkb_k 单调,则绝对差的和等于 ∣b1−bn∣|b_1-b_n|,从而

∣∑k=1nakbk∣≤M(∣bn∣+∣b1−bn∣)≤M(∣b1∣+2∣bn∣).\left|\sum_{k=1}^n a_kb_k\right|\le M\bigl(|b_n|+|b_1-b_n|\bigr)\le M\bigl(|b_1|+2|b_n|\bigr).

特别地,b1≥⋯≥bn≥0b_1\ge\cdots\ge b_n\ge0 时,上界简化为 Mb1Mb_1。

若只知 Ak≥0A_k\ge0,并且 b1≥⋯≥bn≥0b_1\ge\cdots\ge b_n\ge0,原恒等式的每项均非负,故 ∑akbk≥0\sum a_kb_k\ge0。无需要求每个 ak≥0a_k\ge0。

例:交错的有限加权和

取 ak=(−1)k−1a_k=(-1)^{k-1}、bk=1/kb_k=1/k。部分和 AkA_k 在 0,10,1 之间交替,且 bkb_k 非负递减,因此对每个正整数 nn,

0≤1−12+13−⋯+(−1)n−1n≤1.0\le1-\frac12+\frac13-\cdots+\frac{(-1)^{n-1}}n\le1.

这里证明的是每个有限部分和的界,不需要讨论无穷级数。

为什么一般估计的端点不能交换

把一般上界误写成 M(2∣b1∣+∣bn∣)M(2|b_1|+|b_n|) 并不成立。取 a1=1,a2=−2a_1=1,a_2=-2,则 A1=1,A2=−1A_1=1,A_2=-1,可取 M=1M=1;取递增的 b1=0,b2=1b_1=0,b_2=1,左侧为 22,错误上界却为 11。因此应优先记住带绝对差的精确估计。

单调权重下的双侧界

设 Ak=∑i=1kaiA_k=\sum_{i=1}^ka_i 均满足 m≤Ak≤Mm\le A_k\le M,且 b1≥⋯≥bn≥0b_1\ge\cdots\ge b_n\ge0。阿贝尔恒等式中的系数 bn,bk−bk+1b_n,b_k-b_{k+1} 非负,系数和为 b1b_1,故

mb1≤∑k=1nakbk≤Mb1.mb_1\le\sum_{k=1}^na_kb_k\le Mb_1.

mm 可以为负。b1>0b_1>0 时除以 b1b_1,所得正是各部分和的加权平均;b1=0b_1=0 时全部权重为零,两端均为零。上界取等当且仅当每个正系数对应的 Ak=MA_k=M;下界类似。

部分和比较推出平方和比较

设 a1,…,ana_1,\ldots,a_n 为实数,b1≥⋯≥bn≥0b_1\ge\cdots\ge b_n\ge0,且对每个 kk,都有 ∑i=1kai≥∑i=1kbi\sum_{i=1}^ka_i\ge\sum_{i=1}^kb_i。则

∑i=1nai2≥∑i=1nbi2.\sum_{i=1}^na_i^2\ge\sum_{i=1}^nb_i^2.

对 ai−bia_i-b_i 作阿贝尔变换,有 ∑(ai−bi)bi≥0\sum(a_i-b_i)b_i\ge0。记 B=∑bi2B=\sum b_i^2,于是 ∑aibi≥B\sum a_ib_i\ge B。若 B=0B=0,结论显然;若 B>0B>0,柯西不等式给

B2≤(∑aibi)2≤(∑ai2)B.B^2\le\left(\sum a_ib_i\right)^2\le\left(\sum a_i^2\right)B.

除以 BB 即得。等号当且仅当逐项 ai=bia_i=b_i:B>0B>0 时柯西等号及内积等于 BB 强制比例系数为 11;B=0B=0 时两列必须全零。

例如 a=(4,1,1),b=(3,2,1)a=(4,1,1),b=(3,2,1) 的部分和逐项不小于,平方和为 18≥1418\ge14。不需要 aia_i 单调;bib_i 的非负递减条件是本证明的关键。

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