Hajaantuva sarja

Hajaantuva sarja määritellään matematiikassa äärettömänä, ei-suppenevana sarjana. Tämä tarkoittaa, ettei äärettömien lukujonojen sarjojen osasummilla ole raja-arvoa.

Sarja voi supeta vain, jos sen yksittäiset jäsenet lähestyvät nollaa. Toisin sanoen kaikki sarjat, joiden yksittäiset jäsenet eivät lähesty nollaa, hajaantuvat. Kuitenkaan eivät kaikki sellaisetkaan sarjat, joiden termit lähestyvät nollaa, suppene. Yksinkertaisin vastaesimerkki on harmoninen sarja. 

Nicole Oresme todisti harmonisen sarjan hajaantumisen jo keskiajalla. 

Joissakin erityistapauksista sarjoille löytyy valmiiksi ratkaistu raja-arvo. Esimerkiksi Cesàron summa yhdistää Grandin hajaantuvan sarjan

lukuarvoon ½ . Cesàron summaa käytetään sarjojen jatkuvuutta arvioidessa.

Hajaantuvien sarjojen summien teoreemat 
Summa- eli summausmenetelmää voidaan kutsua säännölliseksi, mikäli se on yhtenevä suppenevan sarjan ehtojen kanssa. Säännöllistä summamenetelmää voidaan kutsua Abelin teoreemaksi.  Alfred Tauberin kehittämiä Tauberin teoreemaa pidetään yleisesti matemaattisesti mielenkiintoisempina, mutta se soveltuu paremmin suppenevien sarjojen tutkimiseen. 

Mikäli suppenevien sarjojen summafunktio on lineaarinen, voidaan Hahn-Banachin teoreeman perusteella menetelmää käyttää yleisesti kaikkien sarjojen vastaavien osasummien laskemiseen. Lineaarisuuden todistamien käytännön laskuissa vaatii kuitenkin harrastuneisuutta. 

Hajaantuvien sarjojen matemaattinen analyysi perustuu Abelin, Cesàron  ja and Borelin summien käyttöön.  Hajaantuvien sarjojen summamenetelmällä on yhteys numeeriseen sekvenssin ekstrapolointiin, kvanttimekaniikassa käytettäviin paikkariippumattomaan kartoitukseen sekä Fourier-analyysissä käytettävään Banachin algebraan.

Summamenetelmien ominaisuuksista 
Summamenetelmät keskittyvät yleensä sarjan osasummaan sekvenssiin. Mikäli tämä sekvenssi ei suppene, voidaan sekvenssiä laajentaa ja tämän uuden alueen keskiarvoa voidaan usein käyttää sarjan summan arvioimiseen raja-arvon sijasta. Eli  voidaan tutkia sekvenssiä s,  ja   Mikäli kyseessä on suppeneva alue, se lähestyy raja-arvoa a. 
Summamenetelmä (A) voidaan nähdä sekvenssien osasummien ja niiden arvojen funktiona. Vastaavasti sarjojen summamenetelmässä kyseiset lukuarvot liittyvät vastaaviin sarjoihin. Seuraavien ehtojen täyttyessä raja-arvojen ja summien arviointi onnistuu:
 Säännöllisyys. Summamenetelmä on säännöllinen, jos sekvenssi s  suppenee kohti x:ää, . Vastaavan sarjan summamenetelmä on ekvivalentisti 
 Lineaarisuus. A on lineaarinen, jos se on lineaarisessa suhteessa lukujonoon, jossa se on määritelty. Esimerkiksi  ja , missä k on skalaari (reaalinen tai kompleksinen). Koska sarjan a termit   ovat lineaarisessa suhteessa sekvenssiin ja sekvenssi termeihin on AΣ lineaarisessa suhteessa sarjan termeihin.  
 Stabiilisuus. A(s)  on määritelty, jos s on s0 alkava sekvenssi ja sekvenssi s′ saadaan . Jos ja vain jos A(s′) on määritelty, saadaan  Ekvivalentisti voidaan todeta, että mikäli   kaikilla n, niin 

Esimerkiksi Borelin summassa kolmas ehto ei ole lähtöoletuksena. 

Kahden eri summausmenetelmän A ja B toivottava ominaisuus on jatkuvuus. A ja B ovat jatkuvia, mikäli jokaisella tutkitulla sekvenssillä s molempien arvot ovat samat eli A(s) = B(s). Summausmenetelmien vahvuuksia voidaan vertailla: Vahvempana pidetään sitä, joka soveltuu useamman sarjan summien laskemiseen. 

Vaikka summamenetelmä olisi epäsäännöllinen ja epälineaarisia, se voi silti olla vahva ja omata käytännön sovellutuksia. Tällaisista esimerkki on Padén approksimointi.

Aksiomaattiset menetelmät 
Monia hajaantuvia sarjoja voidaan summata ottamalla aksioomiksi säännöllisyys, lineaarisuus ja vakaus. Esimerkkinä geometrisen sarjan arviointi (aina, kun ), 

kun r  on yhtä suurempi reaaliluku osasummat kasvavat rajatta ja keskiarvomenetelmät lähenevät ääretöntä.

Nörlundin keskiarvo 
Olkoon pn positiivisterminen lukujono, joka alkaa p0:sta. Oletetaan myös, että

Käyttämällä painotettua keskiarvoa saamme muokattua lukujonon 

jossa (n:n lähestyessä ääretöntä) tn raja-arvoa kutsutaan Nörlundin keskiarvoksi, Np(s).
Nörlundin keskiarvo on säännöllinen, lineaarinen ja vakaa. Huomioitavaa on, että kaksi satunnaisesti valittua Nörlundin keskiarvoa ovat yhtäpitäviä. Merkittävimpiä Nörlundin keskiarvoista ovat Cesàron summat. Kun lukujono pk määritellään

on Cesàron summan määritelmä  Cesàron summat ovat Nörlundin keskiarvoja, mikäli . Säännöllisistä, lineaarisista, vakiosta sekä yhtäpitävistä summista C0  on tavallinen yhteenlasku ja C1 taas Cesàron summakaava. Cesàron summista on mainittava, että mikäli , niin Ch on Ck vahvempi.

Abelin keskiarvo 
Olkoon λ = {λ0, λ1, λ2, ...} kohti ääretöntä kasvava lukujono ja.  osassummat muodostavat jonon s. Oletetaan, että

suppenee kaikilla reaaliluvuilla x. Abelin keskiarvo määritellään tällöin

Tällaiset sarjat tunnetaan yleisemmin Dirichlet'n sarjoina, joita sovelletaan fysiikassa.
Abelin keskiarvot ovat säännöllisiä, lineaarisia ja vakioita, mutta eivät aina yhtäpitäviä eri λ:n arvoilla. Niistä osaa voidaan hyödyntää yhteenlaskumenetelmissä.

Abelin summa 
Abelin yhteenlaskukaava saadaan, kun  , λn = n. Kaava on

missä z = exp(−x). X:n lähestyessä nollaa positiivilta puolelta f(x) raja-arvo lähestyy potenssisarjan ƒ(z) raja-arvoa, kun z lähestyy yhtä positiivisten reaalilukujen kautta. Tällöin Abelin summa A(s) määritellään 

Abelin summa on säännöllinen, lineaarinen, stabiili sekä yhtäpitävä Cesàron yhteenlaskukaavan kanssa. Abelin kaavasta tekee käyttökelpoisemman se, että :  voidaan myöhemmin määritellä halutuksi.

Lindelöfin summa 
Jos , niin alaindeksien lähtiessä yhdestä saadaan

Silloin L(s), Lindelöfin summa (Volkov 2001), on ƒ(x):n raja-arvo, kun x lähestyy nollaa. Lindelöfin summa soveltuu potenssisarjojen summan laskemiseen kompleksianalyysin alaan kuuluvassa Mittag-Lefflerin tähdessä.

Katso myös 
 Suppeneminen

Lähteet
Volkov, I.I (2001), " Cesaro summation methods", Encylopedia of Mathematics, Springer
Hardy, G.H (1949), Divergent Series, Oxford: Clarendon Press.

Aiheesta muualla 
 Hajaantuva sarja Mathword Woflframissa
 Hajaantuva sarja Mathwordissa
 Abelin teoreemasta Planetmathissa
 Abelin teoreema Mathworld Woflframissa
 Encyclopaedia of Mathematics, Mittag-Leffler star
 Paden aproksimointi
 Encyclopaedia of Mathematics, Tauberin teroreema

Matemaattiset sarjat