MA.7.4 级数的应用

一、用级数方法计算积分

Example

例1 计算积分 ∫01ln⁡(1+x)x dx
0 处未定义,但为可去间断点

Analysis

原函数非初等函数,无法求解

Solution

ln⁡(1+x)=∑n=1∞(−1)n−1nxn(−1<x≤1)⟹ln⁡(1+x)x=∑n=1∞(−1)n−1nxn−1(x=1 为收敛点 - Abel lemma)∴∫01ln⁡(1+x)xdx=∑n=1∞(−1)n−1n∫01xn−1dx=∑n=1∞(−1)n−1n2=…

Jan.11:续上

∫01ln⁡(1+x)xdx=∑n=1∞(−1)n−1n2=∑n=1∞1n2−2∑n=1∞1(2n)2=12∑n=1∞1n2=π212
Example

例2 计算椭圆积分 ∫01du(1−u2)(1−k2u2),(k2<1)

Tips

变量替换 #Wallis公式

Solution

原积分=u=sin⁡x∫0π/2cos⁡x1−sin2⁡x1−k2sin2⁡xdx=∫0π/211−k2sin2⁡xdxRecall: 11−u=1+∑n=1∞(2n−1)!!(2n)!!un=∫0π/2[1+∑n=1∞(2n−1)!!(2n)!!(k2sin2⁡x)n]dx[0, k2]收敛,积分求和=π2+∑n=1∞(2n−1)!!(2n)!!k2n⋅∫0π/2sin2n⁡xdx=Wallis 公式π2(1+∑n=1∞[(2n−1)!!(2n)!!]2k2n)

二、近似计算

Example

例3 计算 ln⁡2 的近似值(误差不超过 10−4 )

Analysis

ln⁡2=1−12+13−14+⋯+(−1)n−1n|+…⏟(−1)n[1n+1−1n+2+…]

Solution

ln⁡(1+x)=x−x22+x33−…ln⁡(11−x)=x+x22+x33+…⟹ln⁡1+x1−x=2(x+x33+x55+…)x:=13:ln⁡2=23(1+13⋅132+15⋅134+…)大约第五项即可

三、微分方程的幂级数解法

例4 求Airy方程 y′′−xy=0 的幂级数解

y=∑an

Solution

设 y=∑n=0∞anxn 是解,则 y′=∑n=1∞nanxn,y″=∑n=2∞n(n−1)xn−2=n−2:=n∑n=0∞(n+2)(n+1)xn 又 xy=∑n=0∞anxn+1=n+1:=n∑n=1∞an−1xn 代入: a2+∑n=1∞[(n+2)(n+1)an+2−an−1]xn=0 故 a2=0 及 an+2=an−1(n+2)(n+1)(n=1,2,…)a0,1 可以任取  从而 a3k+2=0;a3k=a3k−33k(3k−1)=1⋅(3k−2)3k(3k−1)(3k−2)(3k−3)(3k−4)…3⋅2⋅a0=1⋅4⋅7⋯(3k−2)(3k)!c1(a0=c1)a3k+1=a3k−2(3k+1)3k=⋯=1(3k+1)⋅3k⋅(3k−2)⋯4⋅3⋅a1=2⋅5⋅8⋯(3k−1)(3k+1)!⋅c2⟹ 解 y=∑k=0∞a3kx3k+∑k=0∞a3k+1x3k+1==c1∑k=0∞1⋅4⋯(3k−2)(3k)!x3k+c2∑k=0∞2⋅5⋯(3k−1)(3k+1)!x3k+1=defc1y1+c2y2
Example

例5 设 y(x)=∑n=0∞anxn 适合 y(0)=0,y′(0)=1 和

y′′−2xy′−4y=0
  1. 证明 an+2=2n+1an,n∈N
  2. 求 y(x) 的表达式

Solution

(1)y′=∑n=1∞nanxny″=∑n=2∞n(n−1)anxn=∑n=0∞(n+2)(n+1)an+2xn2xy′=∑n=1∞2nanxn+2nanxn|n=0=∑n=0∞2nanxn⇒代入∑n=0∞[(n+2)(n+1)an+2−2nan−4an]xn=0⟹(n+2)(n+1)an+2=2an(n+2)即 an+2=2ann+1(n=0,1,…) 题目已知 a0=0, a1=y′(0)=1(2) 故 a2k=0, a2k+1=2a2k−12k=⋯=2⋅2⋯2⋅2(2k)(2k−2)⋯4⋅2⋅a1=1k! 从而 y=∑k=1∞a2k+1xk+1=∑k=0∞x2k+1k!=x∑k=0∞(x2)kk!=x⋅ex2

四、Stirling公式: 有效处理n!

Wallis 引理

π2=limn→∞12n+1((2n)!!(2n−1)!!)2

Proof

 考虑 ∫0π/2sin2n⁡xdx 由于 ∫0π/2sin2n−1dx<∫0π/2sin2n⁡xdx<∫0π/2sin2n−1dx 即 (2n)!!(2n+1)!!<(2n−1)!!(2n)!!π2<(2n−2)!!(2n−1)!! 交叉相乘+补项 ⟹2n2n+1π2<1(2n+1)[(2n)!!(2n−1)!!]2<π2 令 n→∞ 即证 

Tips
类似地,取 n→∞,两边开根号可得

limn→01n⋅(2n)!!(2n−1)!!=π

Stirling公式

Stirling公式

n!=2nπ(ne)neθn12n(0<θn<1)

估计阶乘:数量级≈(ne)n

Analysis

令 an=n!ennn+1/2 要证:an=2π⋅eθn12n
则 anan+1=n!ennn+1/2⋅((n+1)n+1+1/2)e

下面考察 (n+12)ln⁡(1+1n) 与 1 的大小关系

Proof

ln⁡(1+x)=x−x22+x33−x44+…(−1<x≤1)ln⁡11−x=x+x22+x33+…(−1≤x<1)ln⁡1+x1−x=2x(1+x23+x45+…)(−1<x<1)⇒x=12n+1(n+12)ln⁡(1+1n)=1+13⋅1(2n+1)2+15⋅1(2n+1)4+…<1+13[1(2n+1)2+1(2n+1)4+…]=1+13⋅1(2n+1)21−1(2n+1)2=1+112n(n+1)⟹e<(1+1n)n+1/2<e1+1/(12n(n+1)) 故 1<anan+1<e1/(12n(n+1)) 即 {an} 有界  设 limn→∞an=a  又 ane−1/12n<an+1<an+1e−1/12(n+1) 即 {ane−1/12n} 单增 →a 从而有 a<an;ane−1/12n<a⟹a⋅e0/12n<an<a⋅e1/12n⇒介值∃Qn∈(0,1) s.t. an=a⋅eQn/12n 下证: a=2π 即可  由 n!=n(ne)n⋅an 有 (Squared)(n!)2=n⋅(ne2n)⋅an2(n:=2n)(2n)!=2n(2ne)2n⋅a2n⟹n2122n⋅an2a2n=(n!)2(2n)!⟹an2a2n=2n⋅22n⋅(n!)2(2n)!=2n⋅(2n⋅n!)2(2n)!=[(2n)!!]2(2n)!⋅2n=2n⋅(2n)!!(2n−1)!!⇒Wallisa=limn→∞an2a2n2π
Example

例6 讨论级数 ∑n=∞n!ennn+p(p∈R) 的敛散性.

Solution

 通项 un=2nπ(ne)neθn/12nennn+p∼2πnp−1/2 故当且仅当 p>32时收敛

五、 ∑n=1∞1n2=π26 的幂级数证明

Example

例7 证明

1. 函数项级数

sin⁡x+∑n=1∞(2n−1)!!(2n)!!⋅sin2n+1⁡x2n+1

在 [0,π/2] 上一致收敛于 x.

2. 求级数 ∑n=1∞1n2 的和.

Tips

回忆公式: arcsin⁡t=t+∑n=1∞(2n−1)!!(2n)!!⋅t2n+12n+1,t∈[−1,1]

Laabe: x=1 收敛=>Abel.II [0,1] 收敛

Proof

1.

由于 t+∑n=1∞(2n−1)!!(2n)!!⋅t2n+12n+1⇉[0,1]arcsin⁡t

故 sin⁡x+∑n=1∞(2n−1)!!(2n)!!sin2n+1⁡x2n+1⇉[0,π2]x

2.

通项积分:

∫0π/2xdx=1+∑n=1∞(2n−1)!!(2n)!!12n+1∫0π/2sin2n+1⁡xdx

即

π28=1+∑n=1∞(2n−1)!!(2n+1)(2n+1)!!=1+∑n=1∞1(2n+1)2=∑n=1∞1(2n−1)2

故

∑n=1∞1n2=∑n=1∞1(2n−1)2+∑n=1∞1(2n)2=π28+14∑n=1∞1n2

=>

∑n=1∞1n2=π26
Example

例8 设 f(x)=∑n=0∞anxn 在 (−R,R) 内收敛, 且∑n=0∞ann+1Rn+1收敛.

证明: 无论 ∑n=0∞anxn 在 x=R 处是否收敛, 都有

∫0Rf(x)dx=∑n=0∞ann+1Rn+1

并由此证明

∫0111+x dx=ln⁡2=∑n=1∞(−1)n−1n

Solution

1.

 由于 ∑n=0∞ann+1xn+1 在 x=R 收敛,故 ∀x∈(−R, R) 逐项积分 ∫0xf(t)dt=∑n=0∞an∫0xtndt=∑n=0∞ann+1xn+1( 已知收敛)⇒Abel.III∫0Rf(t)dt=limx→R−∫0xf(t)dt⏟←定积分:直接等于,瑕积分:记为该值<∑n=0∞ann+1Rn+1 令 an=(−1)n: f(x)=∑n=0∞(−x)n=11+x 故 R=1⇒t=x, R=1∫011x+1dx=∫01∑n=0∞(−1)nn+1dx=∫01∑n=1∞(−1)n−1ndx

Addition

 又取 an=1n+1 则 R=1, 且 ∀x∈[0,1)f(x)=∑n=0∞xnn+1=1x∑n=0∞xn+1n+1=1x⋅ln⁡11−x 故 ∫011xln⁡11−xdx=∑n=0∞1(n+1)2=∑n=1∞1n2=π26
Example

例9 求级数 ∑n=2n1(n2−1)2n 的和

Solution

 令 f(x)=∑n=2∞xnn2−1R=±1=∑n=2∞xn(n−1)(n+1)=12∑n=2∞(1n−1−1n+1)xn=12∑n=2∞xnn−1−∑n=2∞xnn+1=x2∑n=1∞xnn−12x∑n=3∞Uxnn⏟缺项补项即可=x2ln⁡11−x−12x(ln⁡11−x−x−x22)…11−x 在 1 处无意义不影响整体  故 ∑n=2∞1n2−1⋅12n=f(12)=58−3ln⁡24
Example

例10 ∑n=1∞n2+1nxn

Solution

令f(x)=∑n=1∞n2+1nxn, R=1, x∈(−1, 1)=∑n=1∞nxn⏟见上次笔记例3+∑n=1∞xnn=x(1−x)2+ln⁡11−x

🎉 MA.I 完结撒花!

👎 MA.II 蓄势待发!