Eufisky - The lost book

许以超书上一行列式求解

许以超第二版书上P73页留了个行列式求解的思考题,还是比较棘手的,下面给出自己的解答.


\[{\Delta _n} = \det \left( {\begin{array}{*{20}{c}}{1 + {x_1}{y_1}}&{1 + {x_1}{y_2}}& \cdots &{1 + {x_1}{y_n}}\\{1 + {x_1}y_1^2}&{1 + {x_1}y_2^2}& \cdots &{1 + {x_1}y_n^2}\\\vdots & \vdots &{}& \vdots \\{1 + {x_1}y_1^n}&{1 + {x_1}y_2^n}& \cdots &{1 + {x_1}y_n^n}\end{array}} \right).\]

解:先来个引理(许以超自己给出的).


事实上,我们有

\begin{align*}&\det A + x\sum\limits_{j,k = 1}^n {{A_{jk}}} = \det \left( {\begin{array}{*{20}{c}}{{a_{11}} + x}& \cdots &{{a_{1n}} + x}\\\vdots &{}& \vdots \\{{a_{n1}} + x}& \cdots &{{a_{nn}} + x}\end{array}} \right)\\=& \det A + x\det \left( {\begin{array}{*{20}{c}}1&1& \cdots &1&1\\{{a_{21}} - {a_{11}}}&{{a_{22}} - {a_{12}}}& \cdots &{{a_{2,n - 1}} - {a_{1,n - 1}}}&{{a_{2n}} - {a_{1n}}}\\{{a_{31}} - {a_{21}}}&{{a_{32}} - {a_{22}}}& \cdots &{{a_{3,n - 1}} - {a_{2,n - 1}}}&{{a_{3n}} - {a_{2n}}}\\\vdots & \vdots &{}& \vdots & \vdots \\{{a_{n1}} - {a_{n - 1,1}}}&{{a_{n2}} - {a_{n - 1,2}}}& \cdots &{{a_{n,n - 1}} - {a_{n - 1,n - 1}}}&{{a_{nn}} - {a_{n - 1,n}}}\end{array}} \right).\end{align*}

其中$A_{kj}$是方阵$A=(a_{jk})$的第$k$行,第$j$列位置的元素的代数余子式.


因此

\begin{align*}&{\Delta _n} = \det \left( {\begin{array}{*{20}{c}}{1 + {x_1}{y_1}}&{1 + {x_1}{y_2}}& \cdots &{1 + {x_1}{y_n}}\\{1 + {x_1}y_1^2}&{1 + {x_1}y_2^2}& \cdots &{1 + {x_1}y_n^2}\\\vdots & \vdots &{}& \vdots \\{1 + {x_1}y_1^n}&{1 + {x_1}y_2^n}& \cdots &{1 + {x_1}y_n^n}\end{array}} \right)\\= &\det A + \det \left( {\begin{array}{*{20}{c}}1&1& \cdots &1\\{{x_1}\left( {y_1^2 - {y_1}} \right)}&{{x_1}\left( {y_2^2 - {y_2}} \right)}& \cdots &{x_1\left( {y_n^2 - {y_n}} \right)}\\\vdots & \vdots &{}& \vdots \\{{x_1}\left( {y_1^n - y_1^{n - 1}} \right)}&{{x_1}\left( {y_2^n - y_2^{n - 1}} \right)}& \cdots &{{x_1}\left( {y_n^n - y_n^{n - 1}} \right)}\end{array}} \right)\\=& \det A + x_1^{n - 1}\det \left( {\begin{array}{*{20}{c}}1&1& \cdots &1\\{y_1^2 - {y_1}}&{y_2^2 - {y_2}}& \cdots &{y_n^2 - {y_n}}\\\vdots & \vdots &{}& \vdots \\{y_1^n - y_1^{n - 1}}&{y_2^n - y_2^{n - 1}}& \cdots &{y_n^n - y_n^{n - 1}}\end{array}} \right).\end{align*}

 

对上面的行列式进行升阶:

\[\det \left( {\begin{array}{*{20}{c}}1&1& \cdots &1\\{y_1^2 - {y_1}}&{y_2^2 - {y_2}}& \cdots &{y_n^2 - {y_n}}\\\vdots & \vdots &{}& \vdots \\{y_1^n - y_1^{n - 1}}&{y_2^n - y_2^{n - 1}}& \cdots &{y_n^n - y_n^{n - 1}}\end{array}} \right) = \det \left( {\begin{array}{*{20}{c}}1&{{y_1}}&{{y_2}}& \cdots &{{y_n}}\\0&1&1& \cdots &1\\0&{y_1^2 - {y_1}}&{y_2^2 - {y_2}}& \cdots &{y_n^2 - {y_n}}\\\vdots & \vdots & \vdots &{}& \vdots \\0&{y_1^n - y_1^{n - 1}}&{y_2^n - y_2^{n - 1}}& \cdots &{y_n^n - y_n^{n - 1}}\end{array}} \right).\]

将第一行加到第三行,第三行加到第四行,$\cdots$,最后将第$n$行加到第$n+1$行:

\begin{align*}\det \left( {\begin{array}{*{20}{c}}1&{{y_1}}&{{y_2}}& \cdots &{{y_n}}\\0&1&1& \cdots &1\\1&{y_1^2}&{y_2^2}& \cdots &{y_n^2}\\\vdots & \vdots & \vdots &{}& \vdots \\1&{y_1^n}&{y_2^n}& \cdots &{y_n^n}\end{array}} \right) &= \det \left( {\begin{array}{*{20}{c}}1&{{y_1}}&{{y_2}}& \cdots &{{y_n}}\\1&1&1& \cdots &1\\1&{y_1^2}&{y_2^2}& \cdots &{y_n^2}\\\vdots & \vdots & \vdots &{}& \vdots \\1&{y_1^n}&{y_2^n}& \cdots &{y_n^n}\end{array}} \right) + \det \left( {\begin{array}{*{20}{c}}1&{{y_1}}&{{y_2}}& \cdots &{{y_n}}\\{ - 1}&0&0& \cdots &0\\1&{y_1^2}&{y_2^2}& \cdots &{y_n^2}\\\vdots & \vdots & \vdots &{}& \vdots \\1&{y_1^n}&{y_2^n}& \cdots &{y_n^n}\end{array}} \right)\\& = \left( { - 1} \right) \cdot \prod\limits_{k = 1}^n {\left( {{y_k} - 1} \right)} \cdot \prod\limits_{1 \le i < j \le n} {\left( {{y_j} - {y_i}} \right)} + \prod\limits_{k = 1}^n {{y_k}} \cdot \prod\limits_{1 \le i < j \le n} {\left( {{y_j} - {y_i}} \right)} \\& = \prod\limits_{1 \le i < j \le n} {\left( {{y_j} - {y_i}} \right)} \cdot \left[ { - \prod\limits_{k = 1}^n {\left( {{y_k} - 1} \right)} + \prod\limits_{k = 1}^n {{y_k}} } \right].\end{align*}

因此

\begin{align*}{\Delta _n} &= \det A + x_1^{n - 1}\prod\limits_{1 \le i < j \le n} {\left( {{y_j} - {y_i}} \right)} \cdot \left[ { - \prod\limits_{k = 1}^n {\left( {{y_k} - 1} \right)} + \prod\limits_{k = 1}^n {{y_k}} } \right]\\& = x_1^n \cdot \prod\limits_{k = 1}^n {{y_k}} \cdot \prod\limits_{1 \le i < j \le n} {\left( {{y_j} - {y_i}} \right)} + x_1^{n - 1}\prod\limits_{1 \le i < j \le n} {\left( {{y_j} - {y_i}} \right)} \cdot \left[ { - \prod\limits_{k = 1}^n {\left( {{y_k} - 1} \right)} + \prod\limits_{k = 1}^n {{y_k}} } \right]\\& = x_1^{n - 1}\prod\limits_{1 \le i < j \le n} {\left( {{y_j} - {y_i}} \right)} \cdot \left[ { - \prod\limits_{k = 1}^n {\left( {{y_k} - 1} \right)} + \left( {{x_1} + 1} \right)\prod\limits_{k = 1}^n {{y_k}} } \right].\end{align*}

与$\sin n^2$类似的一些问题

1.证明: $\sum_{k=1}^n\sin k^2$无界.


参看: http://www.zhihu.com/question/29094450


2.证明\[\mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{1}{n}\sum\limits_{k = 1}^n {\sin \sqrt k }  = 0.\]

这个极限可以从《数学分析习题课讲义》下册第 39 页的一系列习题的结论推得.
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引理1.  设级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_nb_n$ 收敛,如果 $b_n\searrow0,n\to\infty$, 那么有$$\lim_{n\to\infty}(a_1+a_2+\cdots+a_n)b_n=0.$$
 
证明很容易,对每一个 $n\in\mathbf N_+$, 记 $c_n=a_nb_n$, 则 $a_n=\frac{c_n}{b_n}(b_n\neq0)$, 然后对 $\displaystyle\sum_{i=1}^n\frac{c_i}{b_i}$ 作一次 Abel 变换就可以做出来了.
 
推论2. 设级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{a_n}{n}$ 收敛,那么有$$\lim_{n\to\infty}\frac{a_1+a_2+\cdots+a_n}{n}=0.$$
 
在引理1中取 $b_n=\frac{1}{n},n=1,2,\cdots$, 再利用引理1就能得到上面的推论.
 
引理3. 设函数 $f\in C^1[1,+\infty)$, 如果 $\displaystyle\int_1^\infty|f'(x)|\mathrm{d}x $收敛, 那么广义积分 $\displaystyle\int_1^\infty f(x)\mathrm{d}x $与无穷级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty f(n) $有相同的敛散性.
 
证明大概思路: 由 Newton-Leibniz 定理可知 $\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=A $存在且有限.如果 $A\neq0$, 则显然广义积分 $\displaystyle\int_1^\infty f(x)\mathrm{d}x$ 与无穷级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty f(n) $都发散.如果$ A=0$, 此时记$S_n=\int_1^n f(x)\mathrm{d}x,T_n=\sum_{i=1}^nf(i),n=1,2,\cdots$,则数列 $\{S_n\}$ 与广义积分 $\displaystyle\int_1^\infty f(x)\mathrm{d}x$ 敛散性相同.余下来就是证明$\lim_{m\to\infty,\atop n\to\infty}|(S_m-S_n)-(T_m-T_n)|=0$,这点很简单,注意到$ \displaystyle\int_1^\infty|f'(x)|\mathrm{d}x $收敛就行了.
 
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命题4. $\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n\sin\sqrt i=0.$
 
由推论2,只要能够证明到级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{\sin\sqrt n}{n} $收敛就行了,再依据引理3, 只要能够证明到广义积分 $\displaystyle\int_1^\infty\frac{\sin\sqrt x}{x}\mathrm{d}x$ 收敛就可以了.而事实上又有$\int_1^\infty\frac{\sin\sqrt x}{x}\mathrm{d}x=2\int_1^\infty\frac{\sin t}{t}\mathrm{d}t$,它是收敛的,这样就得到了你的问题的证明.

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多元里的两道问题

“数学是你们的选择,你们随时都可以放弃。但当数学仍是你们的选择时,就必须为此负责。”
——S.Lang对他学生上课前说的话

i的i次方等于多少?

写了三篇δ函数的博文后,现在来点轻松的。别以为是说“爱的爱次方等多少”。理科男在这里,还没想到这样浪漫的事,其实是谈初等数学,这里i是虚数符号,问:$i^i = ?$
 
这原是我在高中上了复数课后,写来考同学玩的。欧拉公式还记得吗?$e^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta$,我们知道 $e^{i\pi/2}=\cos(\pi/2)+i\sin(\pi/2)=i$,代入不难算出 $i^i =(e^{i\pi/2})^i = e^{-\pi/2} = 0.207879576…$,套公式而已,简单到没难度,结论匪夷所思。大约两百多年前的数学家,以至现在的物理学者和工程师,都喜欢这种用公式推导的创意。只是对学多数学的人,再看就会纠结。数学的严谨性说多了让人烦,所以都自觉地不啰嗦了。
 
前不久,有个解5次方程的爱好者,在科学网群组上分享他的成果,又给我留言,就进去逛一下。看到两个爱好者,在哪儿交流根式解的心得,一个宣称“如不能仅引进2次根式得解,负数的高于2次的根式,就只能是另外的,既非实数也非虚数或复数的其它数类!”,说“$(-3)^{1/5}$ 就既非实数也非虚数或复数!”这问题就比较有趣了。本来用棣莫弗公式或欧拉公式,直接能给出答案。不过就此聊点数域扩充和运算延拓的话题,比起辅导中学代数,多少还是有点技术含量。这值得写篇博文与大家分享。
 
在数学发展史上,常将一些运算推行到其他的数,且希望保持原有运算结果和性质,这叫延拓。这时运算的结果,也许不能都用已有的数类来表达,就需要将数类扩充,以保持运算的封闭性。历史上数类经历过了几次的扩充。例如,一直到了15世纪,0 和负数才被西方认同。在这之前的数都是正数,减法只对被减数大于减数时才有意义,将加减法运算推广到所有的数,就需要引入 0 和负数,以保持对运算的封闭性。无理数被引入,是来保证毕达哥斯定理正确性。引入复数为保证代数方程有解。包含超越数的实数,因无穷数列收敛的完备性而定义。现在我们知道,数 x 的整数 n 次方,定义为 x 自乘 n 次。问在已知的数类中,能否有一个数记为 $x^{1/n}$,使得它的 n 次方等于 x?
 
如果x是个正数,这个并不难回答。存在着已知的算法可以精确计算到任何位数的一个正实数,记为 $\sqrt[n]{x}$,这称为实数开 n 次方的主根(principal root),或称为算术根。x 是 0,答案是 0;x 是负数,当 n 为奇数时,答案是负实数 $-\sqrt[n]{|x|}$。这里$\sqrt[n]{x}$ 是 n 为参数,正实数域上的正实数值函数,称为 n 次根式。当n是偶数,x是负数时,则需要扩充到复数来满足,特别地,定义负数变量开2次方函数$\sqrt{x}=i\sqrt{|x|}$。
 
因为根式是有已知算法的单值函数,所以人们希望代数方程解能用它来表达。但对四次以上方程一般是不可能的。代数方程的解用它的系数加以根式符号和四则运算来表达,称为根式解。比如说,$x^2=2$,它的根表达为:$x_1=\sqrt{2}, \;\;  x_2=-\sqrt{2}$,韦达定理说二次方程 $ax^2+bx+c=0$ 的根式解是:
 
$x=\frac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a}$,这是我们从初中就开始熟悉的概念。
 
好了,有了这些大家中学都已烂熟的知识,我们就可以运用公式推导来创造奇迹!比如说你导公式得到下面两个等式:
 
$i= (-1)^{1/2} = ((-1)(-1)(-1))^{1/2} =(-1)^{1/2}(-1)^{1/2}(-1)^{1/2}=iii=-i$,
 
$-1=(-1)^1 = ((-1)^2)^{1/2}=1^{1/2}=1$。
 
如果你还比较淡定,不信这么容易就能震惊世界,就会自省一下错在哪里。这除了上面重申过的约定外,就是用了从中学就熟知的指数运算律。对于指数运算 $x^y$,有指数分配律 $(xy)^z = x^zy^z$,指数相乘律 $(x^y)^z = x^{yz}$,指数相加律 $x^yx^z = x^{y+z}$,这里分别用了前两个,有问题吗?
 
有!尽管指数运算,与加减乘除四则运算一样的基本,我们在各种公式推导中都毫不经意地运用他们,其实并没有证明过它们的运算律适用于这里。在上面悖论等式中,其实 $ ((-1)(-1)(-1))^{1/2} \neq (-1)^{1/2}(-1)^{1/2}(-1)^{1/2}, \;\;\; (-1)^1\neq ((-1)^2)^{1/2}$。
 
我们必须认真研究一下,这指数运算律的适用范围了。
 
最初 $x^n$ 指 n 是正整数,它意思是正实数 x 自乘 n 次。由这定义推算,就有了指数运算律。对它们是其他数的适用性还需要证明。先看一下,怎么从这自乘开始,延拓这个运算的。
 
把正整数n固定,$x^n$  仍然定义成 x 自乘 n 次,这叫幂函数。可以把幂函数自变量x的定义域延拓到复数域,定义 $x^0=1 , \;\; x^{-n}=1/x^n $,同样直接从定义就能证明非0复数的整数幂函数满足指数运算律。从上面悖论等式看到,指数运算律不适用于分数幂函数。所以这方向的拓展到此为止。
 
把指数运算 $x^y$ 中的 x 固定,限定为正实数,写成参数 a,式子 $a^y$ 称为 a 为底的指数函数。定义 $a^0=1 , \;\; a^{-n}=1/a^n $,定义 $a^{1/n}$ 为 $a^n$  的主根。从 y 为正整数开始,应用指数运算律和极限运算,可以把正实数底a的指数函数 $a^y$,自变量 y 的定义域,从正整数延拓到实数。它也满足全部的指数运算律。这时它的值域也是正实数,当底数 a 不是 1 时,这函数是单调的,反函数存在,把它记为 $\log_a(\cdot)$,这个对数函数定义域是正实数,参数 a 为非 1 的正实数,值域是实数。我们有关系式 $y=\log_a(a^y)$。记 $\ln(\cdot)=\log_e(\cdot)$,当 x 是正实数,y 是实数时,指数运算可以表示为 e 的指数函数的形式:$x^y= e^{y\ln x}$,它们满足指数运算律。这些都是熟知的中学代数的内容。
 
它们已是满足指数运算律的幂函数和指数函数能够拓展的极限了。所以二元的指数运算 $x^y$ 只有 x 的定义域为正实数,y 的定义域为实数时,得值是正实数,才有指数运算律。当我们企图把二元的指数运算中x变量的定义域延拓到正实数之外时,我们遇到了麻烦。其一是 $(-1)^{1/2}$ 在实数值域上没有对应值。这在历史上已经解决,它的处理是大家熟知的,把数域扩展到复数域,记虚数符 $i = \sqrt{-1}$,但一切也只到此为止。我们甚至无法在指数函数 $(-1)^y$ 中,把 y  整数变量的定义域延拓到整数的倒数,前面已看到它无法满足指数分配律和相乘律。此路不通了。
 
把 x 的 n 次幂的定义域延拓到包括负数与复数,所遇到问题的本质是在这定义域中,n 次方不是个一一映射,几个不同自变量值可能对应于同一个函数值,当我们企图将逆运算限制在某个分支的根,例如用主根,来定义 $x^{1/n}$ 时,指数分配律和指数相乘律,都可能让不同分支的根在自乘中等同起来。这产生了矛盾。
 
不再拘于指数运算律了,看看我们能否对其中的一元函数再作任何延拓。
 
前面说过复数的整数幂都有定义,并满足指数运算律。所以幂级数 $\sum_{n=0}^\infty x^n/n!$ 的每一项都有定义,它对实数 x 收敛于一个实数,对复数 x 收敛于一个复数,由此定义可以定义函数 exp(x)。可以证明它满足指数相加律 $\exp(x)exp(y) = \exp(x+y)$。不难证明它是唯一符合微分方程 df(x)/dx = f(x)  和初始条件 f(0)=1 的解。所以它在 x 为实数时是已知的指数函数 $e^x$,在 x 为复数时也称为指数函数,用相同的表示法,由欧拉公式有 $z=x +iy,\;\; e^z = e^x (\cos y + i \sin y)$.
 
这个定义域为复数的指数函数,满足指数分配律和指数相乘律吗?对指数为整数 n 时尚可,$(\exp(z)exp(w))^n=\exp(z)^n \exp(w)^n, \;\;\; \exp(z)^n=\exp(nz)$,其他则不能。因为底 a 不是 e 的指数函数  $a^z$,在复数域都还没有定义。可以证明无论怎样定义,按指数分配律和指数相乘律计算都会引起矛盾。
 
这么说,我们前面套公式得到 $i^i = (e^{i\pi/2})^i = e^{-\pi/2} = 0.207879576…$,是胡整了?起码在 $(e^{i\pi/2})^i = e^{-\pi/2}$ 这一步用到的指数相乘律是没有根据的。
 
在复变函数的论域中,改变了传统上函数是单值的和等式是两边的数值相等的定义,给这问题新的答案。前面指数运算进一步扩展的问题在于,扩展定义域相当于扩展逆运算的值域,如果扩展后不再是一一的映射,那么它的逆运算对应的是一个多值的集合。
 
在复变函数论域中,我们可以允许函数是多值的,其值表示为一个集合,两个集合间的运算,定义为分别在两个集合里选取每个元素进行计算,其函数值是所有可能运算结果的集合。等式“=”定义为两边的集合相等。
 
好,我们来看,这带来什么不同。复数z可以用极坐标来表示 $z=r(\cos\theta + i\sin\theta)$,这个表示式不是唯一的。所以它的逆运算,即绝对值运算  |z| = r  还是通常的单值函数;但幅角 $Arg(z) = \theta + 2k\pi$,这里k是任意的整数(此后不再赘述),这是一个多值函数,对应的数值是一个可数的无穷集合。由欧拉公式,这个表示式可以写成  $z = |z|e^{iArg(z)}$,这又成单值的等式了。由此可以定义复数指数函数的反函数 $Ln(z) = \ln |z| + i Arg(z)$,这是将对数函数 ln z  扩展到复数域上的多值函数。注意,它不是延拓,延拓要保持原有变量和函数值的对应不变,将定义域扩展到没有定义的地方。而这函数当变量是正实数时,并不等于相应的对数值,而是包括着它的一个集合。例如 $\ln 1 = 0,  \;\; Ln 1 = 2k\pi = \{…,-6\pi, -4\pi, -2\pi, 0, 2\pi, 4\pi, 6\pi, …\}$。但以此我们可以定义复数域上的指数运算了,$z^w = \exp(w Ln(z))$。这也是扩展,不是上述单值函数的延拓。例如,在复变函数论域里,指数运算,$1^{1/2} = \exp(Ln(1)/2) = \exp(ik\pi) = \{ 1, -1 \}$。一般来说这个指数的运算不再保持指数运算律了,只能看成一个多值的函数。不再有指数相加律和指数相乘律了,$z^wz^v, \;\; (z^w)^v$ 未必对应有$z^{w+v}, \;\; z^{wv}$了,例如 $-1 =e^{i\pi + i2k\pi} \neq (e^{2(i\pi + i2k\pi)})^{1/2} = 1^{1/2}=\{-1, 1\}$。它的意义在于对这个运算有定义,而且按指数运算律化简了计算所得的值,是直接运算结果集合值中一部分。
 
现在来看标题问句的答案。我们可以在复变函数论域里,有根据地按定义来计算了。
 
$i^i= \exp(i Ln i) = \exp(i (i\pi/2 + i2k\pi)) = \exp(-\pi/2 - 2k\pi)=\exp(-\pi/2) \exp(-2k\pi)$
 
它是0.207879576…乘上或除以任意多次535.4916555… 的一个可数无穷集合。篇首的答案0.207879576… 只是其中的一个数值。
 
好了,如果你们通读到此,相信这些初等数学的内容都不难理解。把知识变成自己的最好方法,是做几道习题。现在问你们。在复变函数的论域中,下面两个式子分别等多少?
 
$(-2)^{1/3}, \hspace{5 mm},  (-1)^i$
 
请写出不可约5次代数方程 $x^5+2=0$ 的根式解?
 
(把你们的解答放在评论里,我的答案后天附在下面)
 
 
 
【答案】
 
$(-2)^{1/3} = \exp(Ln(-2)/3) = \{-\sqrt[3]{2}, \;\;\; \sqrt[3]{2}(1/2 -i\sqrt{3}/2),  \;\;\; \sqrt[3]{2}(1/2 + i\sqrt{3}/2) \}$
 
$ (-1)^i = \exp(iLn(-1))= e^{-\pi+2k\pi} = 0.043213918  \times  535.4916555^k$
 
有理数域不可约5次方程 $x^5+2=0$,它的根式解是:
 
$x_0 = -\sqrt[5]{2}$
 
$x_1  = -\sqrt[5]{2}((\sqrt{5}-1)/4+ i \sqrt{10+2\sqrt{5}}/4), \;\;\; x_2  =-\sqrt[5]{2}(-(\sqrt{5}+1)/4 + i \sqrt{10-2\sqrt{5}}/4) $
 
$x_3 = -\sqrt[5]{2}(-(\sqrt{5}+1)/4 - i \sqrt{10-2\sqrt{5}}/4),\;\;\; x_4  = -\sqrt[5]{2}((\sqrt{5}-1)/4- i \sqrt{10+2\sqrt{5}}/4),$
 
这是怎么得来的?其实很简单,在复变函数论域计算 $(-2)^{1/5}$, 也可以直接根据棣莫弗公式有:
 
$x_n = -\sqrt[5]{2}(\cos(2n\pi/5) +i\sin(2n\pi/5)), \;\;\; n=0,1,2,3,4$
 
计算$\sqrt[5]{2}=1.148698355...$,根据三角公式可以推出这特殊角的正余弦的根式和数值,
 
$\cos(2\pi/5)=(\sqrt{5}-1)/4= 0.309016994...$,
 
$\sin(2\pi/5)=\sqrt{10+2\sqrt{5}}/4= 0.951056516...$,
 
$\cos(\pi/5)=(\sqrt{5}+1)/4= 0.809016994…$
 
$\sin(\pi/5)=\sqrt{10-2\sqrt{5}}/4=  0.587785252...$
 
转自:http://blog.sciencenet.cn/blog-826653-900633.html

谢之题解16.2级数求和计算篇

大风起兮云飞扬,一生挚爱美娇娘.

爱情,本来就是勇敢者的游戏!

 

1.设已知$\sum\limits_{n = 1}^\infty {{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}{a_n}} = A,\sum\limits_{n = 1}^\infty {{a_{2n - 1}}} = B$,证明: $\sum\limits_{n = 1}^\infty {{a_n}} $收敛并求其和.


解:显然有

\[\sum\limits_{n = 1}^\infty {{a_n}} = 2\sum\limits_{n = 1}^\infty {{a_{2n - 1}}} - \sum\limits_{n = 1}^\infty {{{\left( { - 1} \right)}^{n - 1}}{a_n}} = 2B - A.\]


 

2.设$P(x)=a_0+a_1x+\cdots+a_mx^m$为$m$次多项式,求级数$\sum\limits_{n = 0}^\infty {\frac{{P\left( n \right)}}{{n!}}}$的和.


解:事实上,

\begin{align*}{b_k} &= \sum\limits_{n = 0}^\infty {\frac{{{n^k}}}{{n!}}} = \sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{n^{k - 1}}}}{{\left( {n - 1} \right)!}}} = \sum\limits_{n = 0}^\infty {\frac{{{{\left( {n + 1} \right)}^{k - 1}}}}{{n!}}} \\&= {b_{k - 1}} + C_{k - 1}^1{b_{k - 2}} + \cdots + C_{k - 1}^{k - 2}{b_1} + {b_0},\end{align*}

其中$b_0=e$.

由此得到的数叫Bell数,记为$B_n$,并且

\[B\left( x \right) = \sum\limits_{n = 0}^\infty {\frac{{B\left( n \right)}}{{n!}}{x^n}} = {e^{{e^x} - 1}}.\]

 

回到原题,我们有\[\sum\limits_{n = 0}^\infty {\frac{{P\left( n \right)}}{{n!}}} = e\sum\limits_{k = 0}^m {{a_k}{B_k}} .\]


 

3.求$1 - \frac{{{2^3}}}{{1!}} + \frac{{{3^3}}}{{2!}} - \frac{{{4^3}}}{{3!}} + \cdots $的和.


解:事实上,

\begin{align*}{b_k} &= \sum\limits_{n = 0}^\infty {{{\left( { - 1} \right)}^n}\frac{{{n^k}}}{{n!}}} = \sum\limits_{n = 1}^\infty {{{\left( { - 1} \right)}^n}\frac{{{n^{k - 1}}}}{{\left( {n - 1} \right)!}}} = \sum\limits_{n = 0}^\infty {{{\left( { - 1} \right)}^{n+1}}\frac{{{{\left( {n + 1} \right)}^{k - 1}}}}{{n!}}} \\& =- {b_{k - 1}} - C_{k - 1}^1{b_{k - 2}} - \cdots - C_{k - 1}^{k - 2}{b_1} - {b_0},\end{align*}

其中$b_0=1/e$.因此$b_1=-1/e,b_2=0,b_3=1/e$.

 

因此

\begin{align*}& 1 - \frac{{{2^3}}}{{1!}} + \frac{{{3^3}}}{{2!}} - \frac{{{4^3}}}{{3!}} + \cdots = \sum\limits_{n = 0}^\infty {{{\left( { - 1} \right)}^n}\frac{{{{\left( {n + 1} \right)}^3}}}{{n!}}} \\=& {b_3} + 3{b_2} + 3{b_1} + {b_0} = - \frac{1}{e}.\end{align*}

 


4.求下列级数的和:(1) $\sum\limits_{n = 1}^\infty {\arctan \frac{1}{{2{n^2}}}} $; (2) $\sum\limits_{n = 1}^\infty {\arctan \frac{2}{{{n^2}}}} $.


解:事实上

\[\sum\limits_{n = 1}^\infty {\arctan \frac{1}{{2{n^2}}}} = \sum\limits_{n = 1}^\infty {\left( {\arctan \frac{1}{{2n - 1}} - \arctan \frac{1}{{2n + 1}}} \right)} = \frac{\pi }{4}.\]

\[\sum\limits_{n = 1}^\infty {\arctan \frac{2}{{{n^2}}}} = \sum\limits_{n = 1}^\infty {\left( {\arctan \frac{1}{{n - 1}} - \arctan \frac{1}{{n + 1}}} \right)} = \frac{\pi }{2} + \frac{\pi }{4} = \frac{{3\pi }}{4}.\]


5.设$a>1$,求$\sum\limits_{n = 0}^\infty {\frac{{{2^n}}}{{{a^{{2^n}}} + 1}}}$的和.


解:事实上

\begin{align*}\sum\limits_{n = 0}^\infty {\frac{{{2^n}}}{{{a^{{2^n}}} + 1}}} &= \frac{1}{{a + 1}} + \sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{2^n}}}{{{a^{{2^n}}} + 1}}} = \frac{1}{{a + 1}} - \frac{1}{{a - 1}} + \frac{1}{{a + 1}} + \sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{2^n}}}{{{a^{{2^n}}} + 1}}} \\&= \frac{1}{{a + 1}} - \frac{2}{{{a^2} - 1}} + \sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{2^n}}}{{{a^{{2^n}}} + 1}}} = \frac{1}{{a + 1}} - \frac{{{2^2}}}{{{a^{{2^2}}} - 1}} + \sum\limits_{n = 2}^\infty {\frac{{{2^n}}}{{{a^{{2^n}}} + 1}}} \\&= \frac{1}{{a + 1}} - \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{{{2^{n + 1}}}}{{{a^{{2^{n + 1}}}} - 1}} = \frac{1}{{a + 1}}.\end{align*}

 


6.求$1 + \frac{1}{3} - \frac{1}{5} - \frac{1}{7} + \frac{1}{9} + \frac{1}{{11}} - \cdots $的和.


解:

\begin{align*}&\sum\limits_{n = 1}^\infty {\left( {\frac{1}{{8n - 7}} + \frac{1}{{8n - 5}} - \frac{1}{{8n - 3}} - \frac{1}{{8n - 1}}} \right)} = \sum\limits_{n = 1}^\infty {\int_0^1 {\left( {{x^{8n - 8}} + {x^{8n - 6}} - {x^{8n - 4}} - {x^{8n - 2}}} \right)} } \\=& \int_0^1 {\sum\limits_{n = 1}^\infty {\left( {{x^{8n - 8}} + {x^{8n - 6}} - {x^{8n - 4}} - {x^{8n - 2}}} \right)} dx} = \int_0^1 {\frac{{1 + {x^2} - {x^4} - {x^6}}}{{1 - {x^8}}}dx} \\= &\left. {\frac{{\arctan \left( {1 + \sqrt 2 x} \right) - \arctan \left( {1 - \sqrt 2 x} \right)}}{{\sqrt 2 }}} \right|_0^1 = \frac{\pi }{{2\sqrt 2 }}.\end{align*}

 


7.求$1 - \frac{1}{7} + \frac{1}{9} - \frac{1}{{15}} + \cdots $的和.


解:

\begin{align*}&\sum\limits_{n = 1}^\infty {\left( {\frac{1}{{8n - 7}} - \frac{1}{{8n - 1}}} \right)} = \sum\limits_{n = 1}^\infty {\int_0^1 {\left( {{x^{8n - 8}} - {x^{8n - 2}}} \right)} } \\=& \int_0^1 {\sum\limits_{n = 1}^\infty {\left( {{x^{8n - 8}} - {x^{8n - 2}}} \right)} dx} = \int_0^1 {\frac{{1 - {x^6}}}{{1 - {x^8}}}dx} \\= &\left. {\frac{{2\arctan x + \sqrt 2 \arctan \left( {1 + \sqrt 2 x} \right) - \arctan \left( {1 - \sqrt 2 x} \right)}}{4}} \right|_0^1 = \frac{{\sqrt 2 + 1}}{8}\pi .\end{align*}

 


8.求$1 - \frac{1}{4} + \frac{1}{7} - \frac{1}{{10}} + \cdots $的和.


解:

\begin{align*}&\sum\limits_{n = 1}^\infty {\left( {\frac{1}{{6n - 5}} - \frac{1}{{6n - 2}}} \right)} = \sum\limits_{n = 1}^\infty {\int_0^1 {\left( {{x^{6n - 6}} - {x^{6n - 3}}} \right)} } \\= &\int_0^1 {\sum\limits_{n = 1}^\infty {\left( {{x^{6n - 6}} - {x^{6n - 3}}} \right)} dx} = \int_0^1 {\frac{{1 - {x^3}}}{{1 - {x^6}}}dx} = \int_0^1 {\frac{1}{{1 + {x^3}}}dx} \\=& \left. {\left( { - \frac{1}{6}\ln \left( {{x^2} - x + 1} \right) + \frac{1}{3}\ln \left( {x + 1} \right) + \frac{{\arctan \frac{{2x - 1}}{{\sqrt 3 }}}}{{\sqrt 3 }}} \right)} \right|_0^1 = \frac{{\sqrt 3 \pi + 3\ln 2}}{9}.\end{align*}

 


9.设${a_n} = 1 + \frac{1}{2} + \cdots + \frac{1}{n},n = 1,2, \cdots $,求$\sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{a_n}}}{{n\left( {n + 1} \right)}}} $的和.


解:

\begin{align*}&\sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{a_n}}}{{n\left( {n + 1} \right)}}} = \sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{1 + \frac{1}{2} + \cdots + \frac{1}{n}}}{{n\left( {n + 1} \right)}}} \\=&\sum\limits_{n = 1}^\infty {\left( {\frac{{1 + \frac{1}{2} + \cdots + \frac{1}{n}}}{n} - \frac{{1 + \frac{1}{2} + \cdots + \frac{1}{{n + 1}}}}{{n + 1}}} \right)} + \sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{1}{{{{\left( {n + 1} \right)}^2}}}} \\= & 1 - \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{{1 + \frac{1}{2} + \cdots + \frac{1}{{n + 1}}}}{{n + 1}} + \left( {\frac{{{\pi ^2}}}{6} - 1} \right) = \frac{{{\pi ^2}}}{6} - \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{{\frac{1}{{n + 2}}}}{1} = \frac{{{\pi ^2}}}{6}.\end{align*}

 


10.求$\sum\limits_{n = 0}^\infty {\left( {\frac{1}{{4n + 1}} + \frac{1}{{4n + 3}} - \frac{1}{{2n + 2}}} \right)} $的和.


解:

\begin{align*}&\sum\limits_{n = 0}^\infty {\left( {\frac{1}{{4n + 1}} + \frac{1}{{4n + 3}} - \frac{1}{{2n + 2}}} \right)} = \sum\limits_{n = 0}^\infty {\int_0^1 {\left( {{x^{4n}} + {x^{4n + 2}} - {x^{2n + 1}}} \right)} } \\= &\int_0^1 {\sum\limits_{n = 0}^\infty {\left( {{x^{4n}} + {x^{4n + 2}} - {x^{2n + 1}}} \right)} dx} = \int_0^1 {\left( {\frac{{1 + {x^2}}}{{1 - {x^4}}} - \frac{x}{{1 - {x^2}}}} \right)dx} \\=& \int_0^1 {\frac{1}{{1 + x}}dx} = \ln 2.\end{align*}

 


11.求$1 - \frac{1}{4} + \frac{1}{6} - \frac{1}{9} + \frac{1}{{11}} - \frac{1}{{14}} + \cdots $的和.


解:

\begin{align*}&\sum\limits_{n = 1}^\infty {\left( {\frac{1}{{5n - 4}} - \frac{1}{{5n - 1}}} \right)} = \sum\limits_{n = 1}^\infty {\int_0^1 {\left( {{x^{5n - 5}} - {x^{5n - 2}}} \right)dx} } = \int_0^1 {\sum\limits_{n = 1}^\infty {\left( {{x^{5n - 5}} - {x^{5n - 2}}} \right)} dx} \\=& \int_0^1 {\frac{{1 - {x^3}}}{{1 - {x^5}}}dx} = \int_0^1 {\left( {\frac{{\left( {5 - \sqrt 5 } \right)/10}}{{{x^2} + \frac{{\sqrt 5 + 1}}{2}x + 1}} + \frac{{\left( {5 + \sqrt 5 } \right)/10}}{{{x^2} + \frac{{ - \sqrt 5 + 1}}{2}x + 1}}} \right)dx} \\=& \left. {\left[ {\frac{{5 - \sqrt 5 }}{{10}}\sqrt {\frac{{10 + 2\sqrt 5 }}{5}} \arctan \frac{{4x + \sqrt 5 + 1}}{{\sqrt {10 - 2\sqrt 5 } }} + \frac{{5 + \sqrt 5 }}{5}\sqrt {\frac{2}{{5 + \sqrt 5 }}} \arctan \frac{{4x - \sqrt 5 + 1}}{{\sqrt {10 + 2\sqrt 5 } }}} \right]} \right|_0^1 \\=& \frac{{\sqrt {25 + 10\sqrt 5 } }}{{25}}\pi .\end{align*}

 


12.求$\frac{{{x^3}}}{{3!}} + \frac{{{x^9}}}{{9!}} + \frac{{{x^{15}}}}{{15!}} + \cdots $的和函数.


解:事实上,方程$\omega^3=1$有三个根$1,{ - \frac{1}{2} + \frac{{\sqrt 3 i}}{2}},{ - \frac{1}{2} - \frac{{\sqrt 3 i}}{2}}$.利用$\sinh$便可得到所需函数

\begin{align*}&\frac{{\sinh x + \sinh \left( { - \frac{1}{2} + \frac{{\sqrt 3 i}}{2}} \right)x + \sinh \left( { - \frac{1}{2} - \frac{{\sqrt 3 i}}{2}} \right)x}}{3}\\= & - \frac{2}{3}\sinh \frac{x}{2}\cos \frac{{\sqrt 3 x}}{2} + \frac{{\sinh x}}{3} = \frac{{{x^3}}}{{3!}} + \frac{{{x^9}}}{{9!}} + \frac{{{x^{15}}}}{{15!}} + \cdots .\end{align*}

 

我们还有

 

\begin{align*}&{\frac{{\sin x +\sin \left( { - \frac{1}{2} + \frac{{\sqrt 3 i}}{2}} \right)x + \sin \left( { - \frac{1}{2} - \frac{{\sqrt 3 i}}{2}} \right)x}}{{ - 3}}}\\= &\frac{2}{3}\sin \frac{x}{2}\cosh \frac{{\sqrt 3 x}}{2} - \frac{{\sin x}}{3} = \frac{{{x^3}}}{{3!}} - \frac{{{x^9}}}{{9!}} + \frac{{{x^{15}}}}{{15!}} - \frac{{{x^{21}}}}{{21!}} + \cdots .\end{align*}

 


13.求$\sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{{\left[ {\left( {n - 1} \right)!} \right]}^2}}}{{\left( {2n} \right)!}}{{\left( {2x} \right)}^{2n}}}$的和函数.


解:在$|x|<1$上对$S(x)$逐项求导,知$S'\left( x \right) = 2\sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{{\left[ {\left( {n - 1} \right)!} \right]}^2}}}{{\left( {2n - 1} \right)!}}{{\left( {2x} \right)}^{2n - 1}}} $,且$S''\left( x \right) = 4\sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{{\left[ {\left( {n - 1} \right)!} \right]}^2}}}{{\left( {2n - 2} \right)!}}{{\left( {2x} \right)}^{2n - 2}}} $.由此可得$(1-x^2)S''(x)-xS'(x)=4$.在两端乘以${(1-x^2)}^{-1/2}$,我们有

\[{\left( {\sqrt {1 - {x^2}} S'\left( x \right)} \right)^\prime } = \frac{4}{{\sqrt {1 - {x^2}} }},\]故

\[S\left( x \right) = \frac{{4\arcsin x}}{{\sqrt {1 - {x^2}} }} + \frac{1}{{\sqrt {1 - {x^2}} }},\quad \left| x \right| < 1.\]

 


14.求$\sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{x^{n + 1}}}}{{\left( {1 - {x^n}} \right)\left( {1 - {x^{n + 1}}} \right)}}} $的和函数.


解:注意到

\begin{align*}&\left( {1 - \frac{1}{x}} \right)\sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{x^{n + 1}}}}{{\left( {1 - {x^n}} \right)\left( {1 - {x^{n + 1}}} \right)}}} \\=& \sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{x^{n + 1}}}}{{\left( {1 - {x^n}} \right)\left( {1 - {x^{n + 1}}} \right)}}} - \sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{x^n}}}{{\left( {1 - {x^n}} \right)\left( {1 - {x^{n + 1}}} \right)}}} \\= &\sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{x^{n + 1}} - {x^n}}}{{\left( {1 - {x^n}} \right)\left( {1 - {x^{n + 1}}} \right)}}} = \sum\limits_{n = 1}^\infty {\left( {\frac{1}{{1 - {x^{n + 1}}}} - \frac{1}{{1 - {x^n}}}} \right)} \\=& \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{1}{{1 - {x^{n + 1}}}} - \frac{1}{{1 - x}} = \begin{cases}\frac{1}{{x - 1}},&\left| x \right| > 1\\\frac{x}{{x - 1}},&\left| x \right| < 1\end{cases} .\end{align*}

因此

\[\sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{x^{n + 1}}}}{{\left( {1 - {x^n}} \right)\left( {1 - {x^{n + 1}}} \right)}}} = \begin{cases}\frac{x}{{{{\left( {x - 1} \right)}^2}}}, &\left| x \right| > 1\\\frac{{{x^2}}}{{{{\left( {x - 1} \right)}^2}}}, &\left| x \right| < 1\end{cases} .\]

 


15.设$\sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{1}{{{a_n}}}} $为发散的正项级数, $x>0$,求$\sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{a_1}{a_2} \cdots {a_n}}}{{\left( {{a_2} + x} \right) \cdots \left( {{a_{n + 1}} + x} \right)}}} $的和函数.


解:首先,

\begin{align*}&\sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{a_1}{a_2} \cdots {a_n}}}{{\left( {{a_2} + x} \right) \cdots \left( {{a_{n + 1}} + x} \right)}}} \\=& \frac{{{a_1}}}{{{a_2} + x}} + \frac{1}{x}\sum\limits_{n = 2}^\infty {\left[ {\frac{{{a_1}{a_2} \cdots {a_n}}}{{\left( {{a_2} + x} \right) \cdots \left( {{a_n} + x} \right)}} - \frac{{{a_1}{a_2} \cdots {a_{n + 1}}}}{{\left( {{a_2} + x} \right) \cdots \left( {{a_{n + 1}} + x} \right)}}} \right]} \\=& \frac{{{a_1}}}{{{a_2} + x}} + \frac{1}{x}\left[ {\frac{{{a_1}{a_2}}}{{{a_2} + x}} - \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{{{a_1}{a_2} \cdots {a_{n + 1}}}}{{\left( {{a_2} + x} \right) \cdots \left( {{a_{n + 1}} + x} \right)}}} \right].\end{align*}

当$n$足够大时,\[1 + \frac{x}{{{a_{n + 1}}}} \sim {e^{x/{a_{n + 1}}}}.\]

因此${\left( {1 + \frac{x}{{{a_2}}}} \right) \cdots \left( {1 + \frac{x}{{{a_{n + 1}}}}} \right)}$与$\exp \left\{ {x\sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{1}{{{a_n}}}} } \right\}$具有相同的收敛性,均发散,故

\[\mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{{{a_1}{a_2} \cdots {a_{n + 1}}}}{{\left( {{a_2} + x} \right) \cdots \left( {{a_{n + 1}} + x} \right)}} = \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{{{a_1}}}{{\left( {1 + \frac{x}{{{a_2}}}} \right) \cdots \left( {1 + \frac{x}{{{a_{n + 1}}}}} \right)}} = 0.\]

从而

\[\sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{{a_1}{a_2} \cdots {a_n}}}{{\left( {{a_2} + x} \right) \cdots \left( {{a_{n + 1}} + x} \right)}}} = \frac{{{a_1}}}{{{a_2} + x}} + \frac{{{a_1}{a_2}}}{{x\left( {{a_2} + x} \right)}} = \frac{{{a_1}}}{x}.\]

 


16.设$x>1$,求$\frac{x}{{x + 1}} + \frac{{{x^2}}}{{\left( {x + 1} \right)\left( {{x^2} + 1} \right)}} + \frac{{{x^4}}}{{\left( {x + 1} \right)\left( {{x^2} + 1} \right)\left( {{x^4} + 1} \right)}} + \cdots $的和函数.


解:\begin{align*}I &= \left( {1 - \frac{1}{{x + 1}}} \right) + \frac{{{x^2}}}{{\left( {x + 1} \right)\left( {{x^2} + 1} \right)}} + \frac{{{x^4}}}{{\left( {x + 1} \right)\left( {{x^2} + 1} \right)\left( {{x^4} + 1} \right)}} + \cdots \\&= 1 + \left( { - \frac{1}{{x + 1}} + \frac{{{x^2}}}{{\left( {x + 1} \right)\left( {{x^2} + 1} \right)}}} \right) + \frac{{{x^4}}}{{\left( {x + 1} \right)\left( {{x^2} + 1} \right)\left( {{x^4} + 1} \right)}} + \cdots \\&= 1 - \frac{1}{{\left( {x + 1} \right)\left( {{x^2} + 1} \right)}} + \frac{{{x^4}}}{{\left( {x + 1} \right)\left( {{x^2} + 1} \right)\left( {{x^4} + 1} \right)}} + \cdots \\&= 1 - \frac{1}{{\left( {x + 1} \right)\left( {{x^2} + 1} \right)\left( {{x^4} + 1} \right)}} + \cdots \\&= \cdots = 1 - \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{1}{{\left( {x + 1} \right)\left( {{x^2} + 1} \right) \cdots \left( {{x^{{2^{n - 1}}}} + 1} \right)}} = 1.\end{align*}

解题过程中碰到的几个特殊数列

1.Catalan数

设数列$\{a_n\}$满足$a_0=1$,以及

\[a_n=a_0a_{n-1}+a_1a_{n-2}+\cdots+a_{n-1}a_0,\quad n\geq1,\]

试求$a_n$的表达式.(详见周民强第二册P378)


解.令$f\left( x \right) = {a_0} + {a_1}x +  \cdots  + {a_n}{x^n} +  \cdots $,以及

\begin{align*}F\left( x \right) = &xf\left( x \right) = {a_0}x + {a_1}{x^2} +  \cdots + {a_n}{x^{n + 1}} +  \cdots \\{F^2}\left( x \right) = &a_0^2{x^2} + \left( {{a_0}{a_1} + {a_1}{a_0}} \right){x^3} +  \cdots \\&+ \left( {{a_0}{a_{n - 1}} + {a_1}{a_{n - 2}} +  \cdots  + {a_{n - 1}}{a_0}} \right){x^{n + 1}} +  \cdots \\= &{a_1}{x^2} + {a_2}{x^3} +  \cdots  + {a_n}{x^{n + 1}} +  \cdots \\= & F\left( x \right) - {a_0}x,\end{align*}
由此知$F(x)=(1-\sqrt{1-4x})/2$(注意$F(0)=0$).因为有
\[\sqrt {1 - 4x}  = 1 + C_{1/2}^1\left( { - 4x} \right) + C_{1/2}^2{\left( { - 4x} \right)^2} +  \cdots  + C_{1/2}^{n + 1}{\left( { - 4x} \right)^{n + 1}} +  \cdots ,\]
所以$F(x)$的Taylor级数展开式中的$a_n$为
\begin{align*}{a_n} &=  - \frac{1}{2}C_{1/2}^{n + 1}{\left( { - 4} \right)^{n + 1}}\\&=  - \frac{1}{2}\frac{{\frac{1}{2} \cdot \left( { - \frac{1}{2}} \right) \cdot \left( { - \frac{3}{2}} \right) \cdots \left( { - \frac{{2n - 1}}{2}} \right)}}{{n!}}{\left( { - 1} \right)^{n + 1}}{4^{n + 1}} = \frac{{C_{2n}^n}}{{n + 1}}.\end{align*}

2.Bell数

背景1.设$P(x)=a_0+a_1x+\cdots+a_mx^m$为$m$次多项式,求级数$\sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{{P\left( n \right)}}{{n!}}}$的和.

事实上,

\begin{align*}{b_k} &= \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{{{n^k}}}{{n!}}}  = \sum\limits_{n = 1}^\infty  {\frac{{{n^{k - 1}}}}{{\left( {n - 1} \right)!}}}  = \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{{{{\left( {n + 1} \right)}^{k - 1}}}}{{n!}}} \\&= {b_{k - 1}} + C_{k - 1}^1{b_{k - 2}} +  \cdots  + C_{k - 1}^{k - 2}{b_1} + {b_0},\end{align*}
其中$b_0=e$.
由此得到的数叫Bell数,记为$B_n$,并且
\[B\left( x \right) = \sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{{B\left( n \right)}}{{n!}}{x^n}}  = {e^{{e^x} - 1}}.\]
 
回到原题,我们有\[\sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{{P\left( n \right)}}{{n!}}}  = e\sum\limits_{k = 0}^m {{a_k}{B_k}} .\]

背景2.(2005年中科院考研题)设${e^{{e^x}}} = \sum\limits_{n = 0}^\infty  {{a_n}{x^n}}$,求$a_0,a_1,a_2,a_3$,并证明$a_n\geq e{(r\ln n)}^{-n}(n>2)$,其中$r$是某个大于$e$的常数.

证.利用幂级数展开式如下:

$$\mathrm e^{\mathrm e^x} = \sum_{k=0}^\infty\frac{\mathrm e^{kx}}{k!} = \sum_{k=0}^\infty\frac 1{k!}\biggl(\sum_{n=0}^\infty\frac{(kx)^n}{n!}\biggr) = \sum_{n=0}^\infty\frac{x^n}{n!}\biggl(\sum_{k=0}^\infty\frac{k^n}{k!}\biggr),$$ 
因此有
$$a_n=\frac 1{n!}\sum_{k=0}^\infty\frac{k^n}{k!} > \frac{k^n}{n!\,k!},$$
这样对每一个 $k\geq 0 $成立.
 
以下取 $k$ 使得本题的不等式成立即可. 由于本题的 $\gamma$ 可以放大, 因此只要在等价的意义下成立即可. 这时又可以将阶乘理解为 $\Gamma$ 函数, 因此 $k$ 用非整数代入是可以的. 以下证明, 取$ \displaystyle k=\frac n{\ln n} $代入已经可以得到所要的不等式.
这时就有
$$\frac {k^n}{n!\,k!}=\frac{\displaystyle\Bigl(\frac n{\ln n}\Bigr)^n}{n!\,\displaystyle\Bigl(\frac n{\ln n}\Bigr)!} \sim\frac{\displaystyle\Bigl(\frac n{\ln n}\Bigr)^n}{\displaystyle\sqrt{2\pi n}\Bigl(\frac n{\mathrm e}\Bigr)^n\cdot \sqrt{\frac{2\pi n}{\ln n}}\Bigl(\frac n{\mathrm e\ln n}\Bigr)^{\frac n{\ln n}}} =\frac{(\mathrm e\ln n)^{\frac n{\ln n}}\sqrt{\ln n}}{2\pi n(\ln n)^n}. $$
 
由于最后一式中的分子为无穷大量, 大于$ \mathrm e $没有问题. 又由于 $a>1$ 时, $\displaystyle\frac{2\pi n}{a^n}=o(1)$, 因此任取 $\gamma>\mathrm e$, 存在 $N$, 使得当 $n>N$ 时成立 $\displaystyle a_n > \frac{\mathrm e}{(\gamma\ln n)^n}$. 最后再放大 $\gamma$ 使得不等式对一切 $n\geq 2$ 成立即可.

来源:http://www.math.org.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=21979&extra=page%3D8

 

一个求特征值的问题

今天13级数院的JJ发来提问:


求对称矩阵

\[A = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}{a_{11}^2}&{{a_{11}}{a_{12}} + 1}&{{a_{11}}{a_{13}} + 1}& \cdots &{{a_{11}}{a_{1n}} + 1}\\{{a_{11}}{a_{12}} + 1}&{a_{22}^2}&{{a_{22}}{a_{23}} + 1}& \cdots &{{a_{22}}{a_{2n}} + 1}\\{{a_{11}}{a_{13}} + 1}&{{a_{22}}{a_{23}} + 1}& \ddots & \ddots & \vdots \\\vdots & \vdots & \ddots &{a_{n - 1,n - 1}^2}&{{a_{n - 1,n - 1}}{a_{n - 1,n}} + 1}\\{{a_{11}}{a_{1n}} + 1}&{{a_{22}}{a_{2n}} + 1}& \cdots &{{a_{n - 1,n - 1}}{a_{n - 1,n}} + 1}&{a_{nn}^2}\end{array}} \right)\]的特征值.

Euler-Maclaurin求和公式估计梯形积分公式的误差

西西在大学群里的一道题,也是2014年第六届非数竞赛预赛最后一题的推广:


设${A_n} = \frac{n}{{{n^2} + 1}} + \frac{n}{{{n^2} + {2^2}}} + \cdots + \frac{n}{{{n^2} + {n^2}}}$,求极限

\[\mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } {n^4}\left( {\frac{1}{{24}} - n\left( {n\left( {\frac{\pi }{4} - {A_n}} \right) - \frac{1}{4}} \right)} \right).\]


这里提供个一般的方法.


Euler-Maclaurin求和公式

设函数$f\in C^{(2m+2)}[a,b],h=\frac{b-a}{n},x_i=a+ih,i=0,1,\cdots,n$,则

\begin{align*}\frac{{b - a}}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {\frac{1}{2}\left[ {f\left( {{x_{i - 1}}} \right) + f\left( {{x_i}} \right)} \right]} - \int_a^b {f\left( x \right)dx} = &\sum\limits_{k = 1}^m {\frac{{{B_{2k}}}}{{\left( {2k} \right)!}}{h^{2k}}\left[ {{f^{\left( {2k - 1} \right)}}\left( b \right) - {f^{\left( {2k - 1} \right)}}\left( a \right)} \right]} \\&+ \frac{{{B_{2m + 2}}}}{{\left( {2m + 2} \right)!}}{h^{2m + 2}}{f^{\left( {2m + 2} \right)}}\left( \xi \right)\left( {b - a} \right),\end{align*}

其中$\xi\in [a,b]$, $B_{2k}(k=1,2,\cdots,m+1)$是Bernoulli数且$B_2=\frac16,B_4=-\frac{1}{30},B_6=\frac{1}{42}$.


enlightened解:取$a=0,b=1,f(x)=\frac{1}{1+x^2}$,则$h=\frac1n,x_i=\frac{i}{n},A_n=\frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {f\left( {{x_i}} \right)}$,则

\begin{align*}&{A_n} + \frac{1}{{4n}} - \frac{\pi }{4} = \frac{1}{2}\left[ {\left( {{A_n} - \frac{1}{{2n}} + \frac{1}{n}} \right) + {A_n}} \right] - \frac{\pi }{4} = \frac{{{B_2}}}{{2!}} \cdot \frac{1}{{{n^2}}}\left[ {f'\left( 1 \right) - f'\left( 0 \right)} \right]\\+ &\frac{{{B_4}}}{{4!}} \cdot \frac{1}{{{n^4}}}\left[ {f'''\left( 1 \right) - f'''\left( 0 \right)} \right] + \frac{{{B_6}}}{{6!}} \cdot \frac{1}{{{n^6}}}\left[ {{f^{\left( 5 \right)}}\left( 1 \right) - {f^{\left( 5 \right)}}\left( 0 \right)} \right] + \frac{{{B_8}}}{{8!}} \cdot \frac{1}{{{n^8}}}{f^{\left( 8 \right)}}\left( \xi \right),\end{align*}

其中$\xi\in [0,1]$,也即

\[{n^4}\left( {\frac{1}{{24}} - n\left( {n\left( {\frac{\pi }{4} - {A_n}} \right) - \frac{1}{4}} \right)} \right) = \frac{1}{{2016}} + \frac{{{B_8}}}{{8!}} \cdot \frac{1}{{{n^2}}}{f^{\left( 8 \right)}}\left( \xi \right),\]

注意到${f^{\left( 8 \right)}}\left( \xi \right)$有界,因此$n\to\infty$时,所求极限为$\frac{1}{{2016}}$.

2014年浙江大学数学分析考研试题解答

6.设空间体积为$V$的任意$\Omega,X_0\in \Omega ,0<\alpha<3$.证明

\[\int_\Omega {{{\left| {X - {X_0}} \right|}^{\alpha - 3}}dX} \le C{V^{\alpha /3}}, \text{其中$C$只与$\alpha$有关}.\]


enlightened证:(Veer)由于$\alpha-3>-3$且$\displaystyle \int_\Omega {{{\left| {X - {X_0}} \right|}^{\alpha - 3}}dX}$为三重积分,故积分广义可积.

 

在$X_0$处作一以$X_0$为圆心的球$D$,使其体积为$V_D=V$.设$D$的半径为$R$.记$D_1=D\cap \Omega,D_2=D/D_1,\Omega_2=\Omega/D_1$,则易知$V_{D_2}=V_{\Omega_2}$.显然

\begin{align*}\int_D {{{\left| {X - {X_0}} \right|}^{\alpha - 3}}dX} &= \int_{{D_1}} {{{\left| {X - {X_0}} \right|}^{\alpha - 3}}dX} + \int_{{D_2}} {{{\left| {X - {X_0}} \right|}^{\alpha - 3}}dX} \\\int_\Omega {{{\left| {X - {X_0}} \right|}^{\alpha - 3}}dX} &= \int_{{D_1}} {{{\left| {X - {X_0}} \right|}^{\alpha - 3}}dX} + \int_{{\Omega _2}} {{{\left| {X - {X_0}} \right|}^{\alpha - 3}}dX} .\end{align*}

由积分中值定理有

\begin{align*}\int_{{D_2}} {{{\left| {X - {X_0}} \right|}^{\alpha - 3}}dX} &= {\left| {\xi - {X_0}} \right|^{\alpha - 3}}{V_{{D_2}}},\xi \in {D_2}\\\int_{{\Omega _2}} {{{\left| {X - {X_0}} \right|}^{\alpha - 3}}dX} &= {\left| {\eta - {X_0}} \right|^{\alpha - 3}}{V_{{\Omega_2}}},\eta \in {\Omega _2}.\end{align*}

易知${\left| {\xi - {X_0}} \right|^{\alpha - 3}} \ge {\left| {\eta - {X_0}} \right|^{\alpha - 3}}$.又因为${V_{{D_2}}} = {V_{{\Omega _2}}}$,则\[\int_\Omega {{{\left| {X - {X_0}} \right|}^{\alpha - 3}}dX} \le \int_D {{{\left| {X - {X_0}} \right|}^{\alpha - 3}}dX} .\]由球坐标变换易得\[\int_D {{{\left| {X - {X_0}} \right|}^{\alpha - 3}}dX} = \int_0^\pi {d\varphi } \int_0^{2\pi } {d\theta } \int_0^R {{r^{\alpha - 1}}\sin \varphi dr} = 4\pi \frac{{{R^\alpha }}}{\alpha }.\]又因为$\displaystyle {V_D} = V = \frac{4}{3}\pi {R^3}$,则\[\int_D {{{\left| {X - {X_0}} \right|}^{\alpha - 3}}dX} = \frac{{{3^{\alpha /3}}{{\left( {4\pi } \right)}^{1 - \alpha /3}}}}{\alpha }{V^{\alpha /3}}.\]故\[\int_\Omega {{{\left| {X - {X_0}} \right|}^{\alpha - 3}}dX} \le \frac{{{3^{\alpha /3}}{{\left( {4\pi } \right)}^{1 - \alpha /3}}}}{\alpha }{V^{\alpha /3}},\]取$\displaystyle C = \frac{{{3^{\alpha /3}}{{\left( {4\pi } \right)}^{1 - \alpha /3}}}}{\alpha }$.

 

注:从上可以看出当$\Omega=D$时不等式可取等号,故$C$是最佳的,且此题可推广到$n$维上.

 


7.$f(x)$在$[0,1]$单增,证明:

\[\mathop {\lim }\limits_{y \to + \infty } \int_0^1 {f\left( x \right)\frac{{\sin xy}}{x}dx} = \frac{\pi }{2}f\left( {{0_ + }} \right).\]


enlightened证:这是Dirichlet引理,菲赫金哥尔茨的《微积分教程》第三卷P358有详细的证明.另外,汪林的《数学分析问题研究与评注》P147上有他的推广及其证明.

 

对任意给出的$\varepsilon>0$, $\exists 0<\delta<1$,使得对于$0<t\leq \delta$,

\[0 \le g\left( t \right) - g\left( {{0_ + }} \right) < M_1\varepsilon ,\]

其中$M_1$是任意给定的常数.

 

考察积分

\begin{align*}\int_0^1 {\left[ {f\left( x \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\frac{{\sin xy}}{x}dx} &= \left( {\int_0^\delta {} + \int_\delta ^1 {} } \right)\left[ {f\left( x \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\frac{{\sin xy}}{x}dx\\&= {I_1} + {I_2}.\end{align*}

 

对于$I_1$,运用积分第二中值定理,我们有

\[{I_1} = \left[ {f\left( \delta \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\int_\eta ^\delta {\frac{{\sin xy}}{x}dx} = \left[ {f\left( \delta \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\int_{y\eta }^{y\delta } {\frac{{\sin z}}{z}dz} ,\]

 

其中第二个因子对于一切值$y$一致有界.事实上,由反常积分$\displaystyle \int_0^\infty {\frac{{\sin z}}{z}dz}$的收敛性,可见当$z\to \infty$时, $z(z\geq 0)$的连续函数$\displaystyle \int_0^z {\frac{{\sin z}}{z}dz} $有有限的极限,并且对于一切值$z$有界

\[\left| {\int_0^z {\frac{{\sin z}}{z}dz} } \right| \le L\left( L \text{为常数}\right),\]从而

\[\left| {\int_{y\eta }^{y\delta } {\frac{{\sin z}}{z}dz} } \right| = \left| {\int_0^{y\delta } {} + \int_0^{y\eta } {} } \right| \le 2L.\]

 

对于第一个因子,取$M_1=\frac{1 }{{4L}}$,则有$f\left( \delta \right) - f\left( {{0_ + }} \right) < \frac{\varepsilon }{{4L}}$.

 

 

因此\[\left| {{I_1}} \right| \le \left[ {f\left( \delta \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\left| {\int_{y\eta }^{y\delta } {\frac{{\sin z}}{z}dz} } \right| < \frac{\varepsilon }{{4L}} \cdot 2L = \frac{\varepsilon }{2}.\]

 

至于$I_2$,由于$\displaystyle \int_\delta ^1 {\frac{{f\left( x \right) - f\left( {{0_ + }} \right)}}{x}dx} $存在,由Riemann-Lebesgue引理可知$\mathop {\lim }\limits_{y \to \infty } {I_2} = 0$,即对$\varepsilon >0,\exists M_2>0$,使得$y>M_2$时,有$\left| {{I_2}} \right| < \frac{\varepsilon }{2}$.

 

因此\[\left| {\int_0^1 {\left[ {f\left( x \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\frac{{\sin xy}}{x}dx} } \right| \le \left| {{I_1}} \right| + \left| {{I_2}} \right| < \varepsilon .\]

即\[\mathop {\lim }\limits_{y \to + \infty } \int_0^1 {\left[ {f\left( x \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\frac{{\sin xy}}{x}dx} = 0.\]

 

从而

\begin{align*}&\mathop {\lim }\limits_{y \to + \infty } \int_0^1 {f\left( x \right)\frac{{\sin xy}}{x}dx} = \frac{\pi }{2}f\left( {{0_ + }} \right)\\=& \mathop {\lim }\limits_{y \to + \infty } \int_0^1 {\left[ {f\left( x \right) - f\left( {{0_ + }} \right)} \right]\frac{{\sin xy}}{x}dx} + f\left( {{0_ + }} \right)\mathop {\lim }\limits_{y \to + \infty } \int_0^1 {\frac{{\sin xy}}{x}dx} \\= &0 + f\left( {{0_ + }} \right)\int_0^{ + \infty } {\frac{{\sin z}}{z}dz} = \frac{\pi }{2}f\left( {{0_ + }} \right).\end{align*}