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)n1nxn(1<x1)ln(1+x)x=n=1(1)n1nxn1(x=1 为收敛点 - Abel lemma)01ln(1+x)xdx=n=1(1)n1n01xn1dx=n=1(1)n1n2=

Jan.11:续上

01ln(1+x)xdx=n=1(1)n1n2=n=11n22n=11(2n)2=12n=11n2=π212
Example

例2 计算椭圆积分 01du(1u2)(1k2u2),(k2<1)

Tips

变量替换 #Wallis公式

Solution

原积分=u=sinx0π/2cosx1sin2x1k2sin2xdx=0π/211k2sin2xdxRecall: 11u=1+n=1(2n1)!!(2n)!!un=0π/2[1+n=1(2n1)!!(2n)!!(k2sin2x)n]dx[0, k2]收敛,积分求和=π2+n=1(2n1)!!(2n)!!k2n0π/2sin2nxdx=Wallis 公式π2(1+n=1[(2n1)!!(2n)!!]2k2n)

二、近似计算

Example

例3 计算 ln2 的近似值(误差不超过 104 )

Analysis

ln2=112+1314++(1)n1n|+(1)n[1n+11n+2+]

Solution

ln(1+x)=xx22+x33ln(11x)=x+x22+x33+ln1+x1x=2(x+x33+x55+)x:=13:ln2=23(1+13132+15134+)大约第五项即可

三、微分方程的幂级数解法

例4 求Airy方程 yxy=0 的幂级数解

y=an

Solution

设 y=n=0anxn 是解,则 y=n=1nanxn,y=n=2n(n1)xn2=n2:=nn=0(n+2)(n+1)xn 又 xy=n=0anxn+1=n+1:=nn=1an1xn 代入: a2+n=1[(n+2)(n+1)an+2an1]xn=0 故 a2=0 及 an+2=an1(n+2)(n+1)(n=1,2,)a0,1 可以任取  从而 a3k+2=0;a3k=a3k33k(3k1)=1(3k2)3k(3k1)(3k2)(3k3)(3k4)32a0=147(3k2)(3k)!c1(a0=c1)a3k+1=a3k2(3k+1)3k==1(3k+1)3k(3k2)43a1=258(3k1)(3k+1)!c2 解 y=k=0a3kx3k+k=0a3k+1x3k+1==c1k=014(3k2)(3k)!x3k+c2k=025(3k1)(3k+1)!x3k+1=defc1y1+c2y2
Example

例5y(x)=n=0anxn 适合 y(0)=0,y(0)=1

y2xy4y=0
  1. 证明 an+2=2n+1an,nN
  2. y(x) 的表达式

Solution

(1)y=n=1nanxny=n=2n(n1)anxn=n=0(n+2)(n+1)an+2xn2xy=n=12nanxn+2nanxn|n=0=n=02nanxn代入n=0[(n+2)(n+1)an+22nan4an]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=2a2k12k==2222(2k)(2k2)42a1=1k! 从而 y=k=1a2k+1xk+1=k=0x2k+1k!=xk=0(x2)kk!=xex2

四、Stirling公式: 有效处理n!

Wallis 引理

π2=limn12n+1((2n)!!(2n1)!!)2

Proof

 考虑 0π/2sin2nxdx 由于 0π/2sin2n1dx<0π/2sin2nxdx<0π/2sin2n1dx 即 (2n)!!(2n+1)!!<(2n1)!!(2n)!!π2<(2n2)!!(2n1)!! 交叉相乘+补项 2n2n+1π2<1(2n+1)[(2n)!!(2n1)!!]2<π2 令 n 即证 

Tips
类似地,取 n,两边开根号可得

limn01n(2n)!!(2n1)!!=π

Stirling公式

Stirling公式

n!=2nπ(ne)neθn12n(0<θn<1)

估计阶乘:数量级(ne)n

Analysis

an=n!ennn+1/2 要证:an=2πeθn12n
anan+1=n!ennn+1/2((n+1)n+1+1/2)e

下面考察 (n+12)ln(1+1n)1 的大小关系

Proof

ln(1+x)=xx22+x33x44+(1<x1)ln11x=x+x22+x33+(1x<1)ln1+x1x=2x(1+x23+x45+)(1<x<1)x=12n+1(n+12)ln(1+1n)=1+131(2n+1)2+151(2n+1)4+<1+13[1(2n+1)2+1(2n+1)4+]=1+131(2n+1)211(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 limnan=a  又 ane1/12n<an+1<an+1e1/12(n+1) 即 {ane1/12n} 单增 a 从而有 a<an;ane1/12n<aae0/12n<an<ae1/12n介值Qn(0,1) s.t. an=aeQn/12n 下证: a=2π 即可  由 n!=n(ne)nan 有 (Squared)(n!)2=n(ne2n)an2(n:=2n)(2n)!=2n(2ne)2na2nn2122nan2a2n=(n!)2(2n)!an2a2n=2n22n(n!)2(2n)!=2n(2nn!)2(2n)!=[(2n)!!]2(2n)!2n=2n(2n)!!(2n1)!!Wallisa=limnan2a2n2π
Example

例6 讨论级数 n=n!ennn+p(pR) 的敛散性.

Solution

 通项 un=2nπ(ne)neθn/12nennn+p2πnp1/2 故当且仅当 p>32

五、 n=11n2=π26 的幂级数证明

Example

例7 证明

1. 函数项级数

sinx+n=1(2n1)!!(2n)!!sin2n+1x2n+1

[0,π/2] 上一致收敛于 x.

2. 求级数 n=11n2 的和.

Tips

回忆公式: arcsint=t+n=1(2n1)!!(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(2n1)!!(2n)!!t2n+12n+1[0,1]arcsint

sinx+n=1(2n1)!!(2n)!!sin2n+1x2n+1[0,π2]x

2.

通项积分:

0π/2xdx=1+n=1(2n1)!!(2n)!!12n+10π/2sin2n+1xdx

π28=1+n=1(2n1)!!(2n+1)(2n+1)!!=1+n=11(2n+1)2=n=11(2n1)2

n=11n2=n=11(2n1)2+n=11(2n)2=π28+14n=11n2

=>

n=11n2=π26
Example

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

证明: 无论 n=0anxnx=R 处是否收敛, 都有

0Rf(x)dx=n=0ann+1Rn+1

并由此证明

0111+x dx=ln2=n=1(1)n1n

Solution

1.

 由于 n=0ann+1xn+1 在 x=R 收敛,故 x(R, R) 逐项积分 0xf(t)dt=n=0an0xtndt=n=0ann+1xn+1( 已知收敛)Abel.III0Rf(t)dt=limxR0xf(t)dt←定积分:直接等于,瑕积分:记为该值<n=0ann+1Rn+1 令 an=(1)n: f(x)=n=0(x)n=11+x 故 R=1t=x, R=1011x+1dx=01n=0(1)nn+1dx=01n=1(1)n1ndx

Addition

 又取 an=1n+1 则 R=1, 且 x[0,1)f(x)=n=0xnn+1=1xn=0xn+1n+1=1xln11x 故 011xln11xdx=n=01(n+1)2=n=11n2=π26
Example

例9 求级数 n=2n1(n21)2n 的和

Solution

 令 f(x)=n=2xnn21R=±1=n=2xn(n1)(n+1)=12n=2(1n11n+1)xn=12n=2xnn1n=2xnn+1=x2n=1xnn12xn=3Uxnn缺项补项即可=x2ln11x12x(ln11xxx22)11x 在 1 处无意义不影响整体  故 n=21n2112n=f(12)=583ln24
Example

例10 n=1n2+1nxn

Solution

f(x)=n=1n2+1nxn, R=1, x(1, 1)=n=1nxn见上次笔记例3+n=1xnn=x(1x)2+ln11x

🎉 MA.I 完结撒花!

👎 MA.II 蓄势待发!