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,是指两组数列的离散卷积。
该数列乘积被认为是自然数的半群环的元素。
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):
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:
-
- 这里
“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
等于如下乘积:
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。
对于、,有, 即为有穷级数,则和 柯西乘积可以展开为,因此可以直接计算乘积。
- 对某些,构造和,由定义和二项式展开可知:
形式上, ,,我们已表明。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 有
- 另外一个例子,令(),则 对所有成立,则柯西乘积 ,该乘积不收敛。
令x, y为实数数列,弗兰兹·梅尔滕斯(Franz Mertens)提出,如果级数收敛到Y,且级数绝对收敛到X,则他们的柯西乘积 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:
考虑下述两交错级数:
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:
其中整数 n ≥ 0。因为对于所有 k ∈ {0, 1, ..., n} 我们都有不等式 k + 1 ≤ n + 1 及 n – k + 1 ≤ n + 1,故对分母中的根式有 √(k + 1)(n − k + 1) ≤ n +1。因此,由于共有 n + 1 个被加项,故对于所有的整数 n ≥ 0有
因此,cn 在 n → ∞ 时并不趋于 0,级数 ∑ cn 发散(项测试)。
令, ,, (重排后)。
则,对任意给定的 ε > 0,因为绝对收敛,收敛,因此存在一个整数N,对于任意n ≥ N ,和存在一个正整数M,对于所有 ,有(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 ,则 。
因此,对于所有n大于N, M, L,有:
根据收敛的定义,即:
如果x,y是实数数列,且,,则有:
所有上述证明也可推广到复数级数。柯西乘积可以定义在乘法为内积的欧式空间上。这种情况下,如果两组数列绝对收敛,则柯西乘积绝对收敛到数列极限的内积
。
我们可以定义柯西乘积为双向无限数列,视为上的函数。这种情况并非总能定义柯西乘积。例如:常数级数1和其本身的柯西乘积,。
有的有一些配对,比如任何级数与一个有限级数的乘积,的乘积,这与Lp空间有关。