Анализ утверждения: "если для всех n натуральных a_n >= 0 и сумма a_n сходится, то n*a_n -> 0". Верно ли утверждение? Приведите контрпримеры или доказательство
Утверждение неверно. Контрпример. Пусть an=0a_n=0an=0 при nnn не степени двух, а при n=2mn=2^mn=2m положим a2m=1m2a_{2^m}=\tfrac{1}{m^2}a2m=m21 для m≥1m\ge1m≥1. Тогда ∑n=1∞an=∑m=1∞1m2<∞,
\sum_{n=1}^\infty a_n=\sum_{m=1}^\infty \frac{1}{m^2}<\infty, n=1∑∞an=m=1∑∞m21<∞,
но для n=2mn=2^mn=2mnan=2m⋅1m2→∞,
n a_n=2^m\cdot\frac{1}{m^2}\to\infty, nan=2m⋅m21→∞,
так что в частности nan↛0n a_n\not\to0nan→0. Замечание (когда верно). Если дополнительно требовать, что (an)(a_n)(an) невозрастающая последовательность неотрицательных чисел, то из сходимости ∑an\sum a_n∑an следует nan→0n a_n\to0nan→0. Доказательство: по признаку конденсации Коши сходимость ∑an\sum a_n∑an равносильна сходимости ∑2ka2k\sum 2^k a_{2^k}∑2ka2k, значит 2ka2k→02^k a_{2^k}\to02ka2k→0. Для произвольного nnn выберем kkk с 2k−1<n≤2k2^{k-1}<n\le 2^k2k−1<n≤2k. Так как ana_nan невозрастающая, nan≤2ka2k−1=2⋅(2k−1a2k−1)→0.
n a_n\le 2^k a_{2^{k-1}}=2\cdot(2^{k-1}a_{2^{k-1}})\to0. nan≤2ka2k−1=2⋅(2k−1a2k−1)→0.
Контрпример. Пусть
an=0a_n=0an =0 при nnn не степени двух, а при n=2mn=2^mn=2m положим a2m=1m2a_{2^m}=\tfrac{1}{m^2}a2m =m21 для m≥1m\ge1m≥1. Тогда
∑n=1∞an=∑m=1∞1m2<∞, \sum_{n=1}^\infty a_n=\sum_{m=1}^\infty \frac{1}{m^2}<\infty,
n=1∑∞ an =m=1∑∞ m21 <∞, но для n=2mn=2^mn=2m nan=2m⋅1m2→∞, n a_n=2^m\cdot\frac{1}{m^2}\to\infty,
nan =2m⋅m21 →∞, так что в частности nan↛0n a_n\not\to0nan →0.
Замечание (когда верно). Если дополнительно требовать, что (an)(a_n)(an ) невозрастающая последовательность неотрицательных чисел, то из сходимости ∑an\sum a_n∑an следует nan→0n a_n\to0nan →0. Доказательство: по признаку конденсации Коши сходимость ∑an\sum a_n∑an равносильна сходимости ∑2ka2k\sum 2^k a_{2^k}∑2ka2k , значит 2ka2k→02^k a_{2^k}\to02ka2k →0. Для произвольного nnn выберем kkk с 2k−1<n≤2k2^{k-1}<n\le 2^k2k−1<n≤2k. Так как ana_nan невозрастающая,
nan≤2ka2k−1=2⋅(2k−1a2k−1)→0. n a_n\le 2^k a_{2^{k-1}}=2\cdot(2^{k-1}a_{2^{k-1}})\to0.
nan ≤2ka2k−1 =2⋅(2k−1a2k−1 )→0.