柯西乘积

在数学上，以法国数学家奥古斯丁·路易·柯西命名的柯西乘积，是指两组数列 $a_{n},b_{n}$ 的离散卷积。

c_{n}=\sum _{k=0}^{n}a_{k}b_{n-k}.

该数列乘积被认为是自然数 $R[\mathbb {N} ]$ 的半群环的元素。

级数

一个特别重要的例子是考虑两个严格的形式级数（不需要收敛） $a_{n},b_{n}$ ：

\sum _{n=0}^{\infty }a_{n},\qquad \sum _{n=0}^{\infty }b_{n},

一般地，对于实数和复数，柯西乘积定义为如下的离散卷积形式：

\left(\sum _{n=0}^{\infty }a_{n}\right)\cdot \left(\sum _{n=0}^{\infty }b_{n}\right)=\sum _{n=0}^{\infty }c_{n},

这里

c_{n}=\sum _{k=0}^{n}a_{k}b_{n-k},\,n=0,1,2,\ldots

“形式”是指我们对级数运算时不考虑是否收敛，参见形式幂级数。

人们希望，通过对两组级数做实际卷积的有限和的类推，得到无穷级数

\sum _{n=0}^{\infty }c_{n}

等于如下乘积：

\left(\sum _{n=0}^{\infty }a_{n}\right)\left(\sum _{n=0}^{\infty }b_{n}\right)

就如同两个数列的和是有限范围一样做乘法。

在充分良态的情况下，上述式子成立。而更重要的一点，尽管这两个无穷级数可能不收敛，它们的柯西乘积仍可能存在。

示例

有穷级数

对于 $i>n$ 、 $i>m$ ，有 $x_{i}=0$ ， $y_{i}=0$ 即为有穷级数，则 $\sum x$ 和 $\sum y$ 柯西乘积可以展开为 $(x_{0}+\cdots +x_{n})(y_{0}+\cdots +y_{m})$ ，因此可以直接计算乘积。

无穷级数

对某些 $a,b\in \mathbb {R}$ ，构造 $x_{n}=a^{n}/n!\,$ 和 $y_{n}=b^{n}/n!\,$ ，由定义和二项式展开可知：

C(x,y)(n)=\sum _{i=0}^{n}{\frac {a^{i}}{i!}}{\frac {b^{n-i}}{(n-i)!}}={\frac {(a+b)^{n}}{n!}}

形式上， $\exp(a)=\sum x$ ， $\exp(b)=\sum y$ ，我们已表明 $\exp(a+b)=\sum C(x,y)$ 。由于该两个绝对收敛数列的柯西乘积等于两个数列极限的乘积，（见下面的证明），因此我们就可证明这个表达式对于 $a,b\in \mathbb {R}$ 有 $\exp(a+b)=\exp(a)\exp(b)$

另外一个例子，令 $x(n)=1$ （ $n\in \mathbb {N}$ ），则 $C(x,x)(n)=n+1$ 对所有 $n\in \mathbb {N}$ 成立，则柯西乘积 $\sum C(x,x)=(1,1+2,1+2+3,1+2+3+4,\dots )$ ，该乘积不收敛。

收敛和梅尔滕斯定理

令x, y为实数数列，弗兰兹·梅尔滕斯（Franz Mertens）提出，如果级数 $\sum y$ 收敛到Y，且级数 $\sum x$ 绝对收敛到X，则他们的柯西乘积 $\sum C(x,y)$ 收敛到XY。

对于两个级数为条件收敛时，结论未必成立。如下反例所示：

例子

考虑下述两交错级数：

a_{n}=b_{n}={\frac {(-1)^{n}}{\sqrt {n+1}}}\,,

它们都是收敛的（其绝对值构成的级数因比较审敛法和调和级数的发散性而发散）。其柯西乘积的项由下式给出：

c_{n}=\sum _{k=0}^{n}{\frac {(-1)^{k}}{\sqrt {k+1}}}\cdot {\frac {(-1)^{n-k}}{\sqrt {n-k+1}}}=(-1)^{n}\sum _{k=0}^{n}{\frac {1}{\sqrt {(k+1)(n-k+1)}}}

其中整数 $n \geq 0$ 。因为对于所有 $k \in {0, 1, ..., n$ } 我们都有不等式 $k + 1 \leq n + 1$ 及 $n - k + 1 \leq n + 1$ ，故对分母中的根式有 $\sqrt (k + 1)(n - k + 1) \leq n +1$ 。因此，由于共有 $n + 1$ 个被加项，故对于所有的整数 $n \geq 0$ 有

|c_{n}|\geq \sum _{k=0}^{n}{\frac {1}{n+1}}=1

因此， $c n$ 在 $n \to \infty$ 时并不趋于 0，级数 $\sum c n$ 发散（项测试）。

梅尔滕斯定理的证明

令 $X_{n}=\sum _{i=0}^{n}x_{i}$ ， $Y_{n}=\sum _{i=0}^{n}y_{i}$ ， $C_{n}=\sum _{i=0}^{n}C(x,y)(i)$ ， $C_{n}=\sum _{i=0}^{n}\sum _{k=0}^{i}x_{k}y_{i-k}=\sum _{i=0}^{n}Y_{i}x_{n-i}$ (重排后)。

则 $C_{n}=\sum _{i=0}^{n}(Y_{i}-Y)x_{n-i}+YX_{n}$ ，对任意给定的 ε > 0，因为 $\sum x$ 绝对收敛， $\sum y$ 收敛，因此存在一个整数N，对于任意n ≥ N $|Y_{n}-Y|<{\frac {\varepsilon /4}{\sum _{n=0}^{\infty }|x_{n}|+1}}$ ，和存在一个正整数M，对于所有 $n\geq M$ ，有 $|x_{n-N}|<{\frac {\varepsilon /4}{N\sup |Y_{n}-Y|+1}}$ （由级数绝对收敛，则式子收敛到0），同样的，存在一个整数L ，如果有 $n\geq L$ ，则 $|X_{n}-X|<{\frac {\varepsilon /2}{|Y|+1}}$ 。