De acuerdo, muchas gracias. ¿Conoces alguna referencia donde aparezca el teorema al que te refieres?
Sea \( \alpha :\mathbb{N} \to \mathbb{N}\times \mathbb{N} \) una biyección arbitraria y \( \{x_{j,k}\}_{j,k\in\mathbb{N}} \) una sucesión doble de elementos no negativos, y supongamos que
\( \displaystyle{
\sum_{r \geqslant 0}x_{\alpha (r)}<\infty
} \)
Entonces, dado un \( \epsilon >0 \), existe un \( N_{\epsilon }\in \mathbb{N} \) tal que \( \sum_{r>N_{\epsilon }}x_{\alpha (r)}<\epsilon \). Ahora observa que el conjunto \( \alpha ^{-1}(\{0,\ldots ,N_{\epsilon }\}) \) es finito, por tanto existe un \( K\in \mathbb{N} \) tal que \( \alpha ^{-1}(\{0,\ldots ,N_{\epsilon }\})\subset \{0,\ldots ,K\}\times \{0,\ldots ,K\} \), y por tanto tenemos que
\( \displaystyle{
\left| \sum_{k=0}^{n_1}\sum_{j=0}^{n_2}x_{j,k}-\sum_{r=0}^{N_{\epsilon }}x_{j,k} \right|\leqslant \sum_{r>N_{\epsilon }}x_{\alpha (r)}<\epsilon
} \)
para todo \( n_1,n_2\geqslant K \). Tomando límites iterados en la anterior expresión para \( n_1 \) y \( n_2 \), y observando que \( \epsilon \) es arbitrario, podemos concluir que
\( \displaystyle{
\sum_{k\geqslant 0}\sum_{j\geqslant 0}x_{j,k}=\sum_{j\geqslant 0}\sum_{k\geqslant 0}x_{j,k}=\sum_{r\geqslant 0}x_{\alpha (r)}
} \)
Ahora, la otra parte de la demostración, que consiste en demostrar que si \( \sum_{r\geqslant 0}x_{\alpha (r)}=\infty \) entonces cualquiera de las series iteradas diverge también a infinito se puede demostrar de manera muy similar, es decir, si diverge a infinito la serie en \( r \) entonces para cada \( C>0 \) existe un \( N_C\in \mathbb{N} \) tal que
\( \displaystyle{
\sum_{r=0}^{m}x_{j,k}>C\quad \text{ para todo }m\geqslant N_C
} \)
Ahora de nuevo: como \( \alpha ^{-1}(\{0,\ldots ,N_C\}) \) es finito entonces existe un \( K \) tal que \( a^{-1}(\{0,\ldots ,N_C\})\subset \{0,\ldots ,K\}\times \{0,\ldots ,K\} \), por tanto se tiene que
\( \displaystyle{
\sum_{j=0}^{n_1}\sum_{k=0}^{n_2}x_{j,k}\geqslant \sum_{r=0}^{N_C}x_{j,k}>C\quad \text{ para todo }n_1,n_2\geqslant K
} \)
de donde se sigue la divergencia de las dos series iteradas automáticamente.∎