Expresión de forma cerrada para series infinitas.

Question

Me dieron la siguiente función:

PS

Y luego me pidieron que encontrara el valor de $$ f(x) = x + \frac{2x^3}{1\cdot3} + \frac{2\cdot4x^5}{1\cdot3\cdot5} + \frac{2\cdot4\cdot6x^7}{1\cdot3\cdot5\cdot7}... $ , lo que obviamente me obliga a calcular la expresión de forma cerrada de la serie infinita.

Intenté 'Integración como límite de suma' pero no pude modificar la expresión en consecuencia. ¿Cómo enfoco el problema?

Answer 1

$$ {\ frac {\ arcsin \ left (x \ right)} {\ sqrt {1- {x} ^ {2}}}} = x + {\ frac {2} {3}} {x} ^ {3 } + {\ frac {8} {15}} {x} ^ {5} + {\ frac {16} {35}} {x} ^ {7} + O \ left ({x} ^ {9} \ derecha) $$ Luego $$ f \ left (\ frac {1} {\ sqrt2} \ right) = \ frac {\ arcsin \ left (\ frac {1} {\ sqrt2} \ right)} {\ sqrt {1 - \ frac12}} = \ frac {\ pi \ sqrt2} {4} $$

Answer 2

$\newcommand{\bbx}[1]{\,\bbox[15px,border:1px groove armada]{\displaystyle{#1}}\,} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\,{#1}\,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\,{#1}\,\right\rbrack} \newcommand{\dd}{\mathrm{d}} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,\mathrm{e}^{#1}\,} \newcommand{\ic}{\mathrm{i}} \newcommand{\mc}[1]{\mathcal{#1}} \newcommand{\mrm}[1]{\mathrm{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left(\,{#1}\,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\,{#2}\,}\,} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{\mathrm{d}^{#1} #2}{\mathrm{d} #3^{#1}}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\,{#1}\,\right\vert}$

$\ds{\left.\vphantom{\Large A}\mrm{f}\pars{x}\right\vert_{\ x\ \en\ \left[0,1\right)} \equiv x + {2x^{3} \más de 1 \times 3} + {2 \times 4x^{5} \más de 1 \times 3 \times 5} + {2 \times 4 \times 6x^{7} \más de 1 \times 3 \times 5 \7 veces} + \cdots:\ {\LARGE ?}}$.

$\underline{\large\texttt{An Explicit Evaluation:}}$ \begin{align} \left.\vphantom{\Large A}\mrm{f}\pars{x}\right\vert_{\ x\ \in\ \left[0,1\right)} & \equiv x + \sum_{n = 1}^{\infty}{\pars{\prod_{k = 1}^{n}2k}x^{2n + 1} \over \prod_{k = 1}^{n}\pars{2k + 1}} = x + \sum_{n = 1}^{\infty}{\pars{2^{n}n!} \over 2^{n}\prod_{k = 1}^{n}\pars{k + 1/2}}\,x^{2n + 1} \\[5mm] & = x + \sum_{n = 1}^{\infty}{n! \over \pars{3/2}^{\large\overline{n}}}\,x^{2n + 1} = x + \sum_{n = 1}^{\infty}{n! \over \Gamma\pars{3/2 + n}/\Gamma\pars{3/2}}\,x^{2n + 1} \\[5mm] & = x + \sum_{n = 1}^{\infty}n!\bracks{{1 \over \pars{n - 1}!}\,{\Gamma\pars{n}\Gamma\pars{3/2} \over \Gamma\pars{n + 3/2}}}x^{2n + 1} \\[5mm] & = x + \sum_{n = 1}^{\infty}n \bracks{\int_{0}^{1}t^{n - 1}\pars{1 - t}^{1/2}\,\dd t}x^{2n + 1} \\[5mm] & = x + x\int_{0}^{1}{\pars{1 - t}^{1/2} \over t}\ \underbrace{\sum_{n = 1}^{\infty}n\pars{tx^{2}}^{n}} _{\ds{=\ {tx^{2} \over \pars{1 - tx^{2}}^{2}}}}\ \dd t \\[5mm] & = x + x^{3}\ \underbrace{\int_{0}^{1}{\root{1 - t} \over \pars{1 - tx^{2}}^{2}}\,\dd t} _{\ds{=\ {-x + \arcsin\pars{x}/\root{1 - x^{2}} \over x^{3}}}} = \bbx{\arcsin\pars{x} \over \root{1 - x^{2}}} \end{align}

Answer 3

Otra respuesta. Utilizamos las fórmulas de $$\int_0^{\pi/2}\sin^{2n+1}sds=\frac{(2n)!!}{(2n+1)!!},$$ $$\sum_{k=0}^{\infty }{\left. {{z}^{2 k+1}}\right.}=\frac{z}{1-{{z}^{2}}},\quad |z|<1.$$ Entonces $$f(x)=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^{2n+1}(2n)!!}{(2n+1)!!}\\=\sum_{n=0}^{\infty}x^{2n+1}\int_0^{\pi/2}\sin^{2n+1}sds\\ =\int_0^{\pi/2}\left(\sum_{n=0}^{\infty}(x\pecado s)^{2n+1} \right)ds\\= \int_0^{\pi/2}\frac{x\pecado s}{1-x^2\sin^2}ds\\={\frac {1}{\sqrt {1-x^2}}\arctan \left( {\frac {x}{\sqrt {1-x^2}}} \right) } $$ Tenemos $$f\left(\frac{1}{\sqrt2}\right)=\sqrt2\arctan1=\frac{\sqrt2\pi}{4}$$

Answer 4

Yo sugeriría la siguiente representación $$\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^{2n+1}(2n)!!}{(2n+1)!!}=\frac{\sin^{-1}(x)}{\sqrt{1-x^2}}$$ Conecte $x=\frac{1}{\sqrt{2}}$. El resultado será $$\frac{\sin^{-1}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)}{\sqrt{1-\frac{1}{2}}}=\frac{\sqrt{2}\pi}{4}$$ Actualización:

Su pregunta es similar con el problema de $6(ii)$ en el octavo William Lowell Putnam de la Competencia. Voy a presentar la solución del libro.

Vamos $$f(x) = x + \frac{2x^3}{1\cdot3} + \frac{2\cdot4x^5}{1\cdot3\cdot5} + \frac{2\cdot4\cdot6x^7}{1\cdot3\cdot5\cdot7}\cdots $$ Entonces $$\begin{align} f'(x) &= 1+x\left[2x+\frac{2}{3}\cdot 4x^3+\frac{2}{3}\cdot\frac{4}{5}\cdot6x^5 +\cdots \right]\\ \\&= 1+x\frac{d}{dx}\left[x^2+\frac{2}{3}x^4+\frac{2}{3}\cdot\frac{4}{5}x^6+\cdots\right]\\ \\&=1+x\frac{d}{dx}(xf(x))=1+xf(x)+x^2f'(x). \end{align}$$ Por lo tanto $f'(x)$ satisface la ecuación diferencial $$(1-x^2)f'(x)=1+xf(x)\tag{1}$$ y la condición inicial $$f(0)=0.\tag{2}$$ (Se nota que la serie de $f$ es convergente para $|x| < 1$ , de modo que todas las manipulaciones formales son justificados.) Ahora $(1)$ es de primer orden lineal no singular de la ecuación diferencial en el intervalo de $(-1,1)$, por lo que tiene una única solución satisfactoria (2).

El siguiente paso es resolver la ecuación diferencial, $$(1-x^2)\frac{df(x)}{dx}=1+xf(x)$$ Escribir la ecuación: $$\frac{df(x)}{dx}-\frac{xf(x)}{1-x^2}=\frac{1}{1-x^2}$$ Multiplicar ambos lados por $\sqrt{1-x^2}$ $$\frac{df(x)}{dx}\sqrt{1-x^2}-\frac{xf(x)}{\sqrt{1-x^2}}=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}$$ Sustituto $\frac{x}{\sqrt{1-x^2}}=-\frac{d}{dx}\sqrt{1-x^2}$ $$\frac{df(x)}{dx}\sqrt{1-x^2}+\frac{d}{dx}\left(\sqrt{1-x^2}\right)f(x)=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}$$ Aplicar el inverso del producto de la regla de $f\frac{dg}{dx}+g\frac{df}{dx}=\frac{d}{dx}(fg)$ a mano izquierda $$\frac{d}{dx}\left(f(x)\sqrt{1-x^2}\right)= \frac{1}{\sqrt{x^2-1}}$$ Integrar ambos lados con respecto a $x$ $$\int\frac{d}{dx}\left(f(x)\sqrt{1-x^2}\right)dx= \int\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}dx$$ Recordar teorema fundamental del cálculo $\frac{d}{dx}\int f(x) dx =f(x)$y $\int\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}=\arcsin(x)+C$, luego $$f(x)\sqrt{1-x^2}=\arcsin(x)+C$$ Tenemos la condición inicial $f(0)=0$, por lo que $$0=\arcsin(0)+C$$ $$C=0$$ Por lo tanto,

$$f(x)=\frac{\arcsin(x)}{\sqrt{1-x^2}}$$