26 votos

Evaluar el infinito producto $\prod_{k \geq 2}\sqrt[k]{1+\frac{1}{k}}=\sqrt{1+\frac{1}{2}} \sqrt[3]{1+\frac{1}{3}} \sqrt[4]{1+\frac{1}{4}} \cdots$

Puedo demostrar la convergencia de las siguientes infinita de productos y algunos de los límites para:

$$\prod_{k \geq 2}\sqrt[k]{1+\frac{1}{k}}=\sqrt{1+\frac{1}{2}} \sqrt[3]{1+\frac{1}{3}} \sqrt[4]{1+\frac{1}{4}} \cdots<$$

$$<\left(1+\frac{1}{4} \right)\left(1+\frac{1}{9} \right)\left(1+\frac{1}{16} \right)\cdots=\prod_{k \geq 2} \left(1+\frac{1}{k^2} \right)=\frac{\sinh \pi}{2 \pi}=1.83804$$

Aquí he utilizado Euler del producto para $\frac{\sin x}{x}$.

El siguiente límite superior no es tan fácil de evaluar, pero todavía es posible, tomar dos más términos de la serie de Taylor para $\sqrt[k]{1+\frac{1}{k} }$:

$$\prod_{k \geq 2}\sqrt[k]{1+\frac{1}{k}}<\prod_{k \geq 2} \left(1+\frac{1}{k^2}-\frac{k-1}{2k^4}+\frac{2k^2-3k+1}{6k^6} \right)=$$

$$=\prod_{k \geq 2} \left(1+\frac{1}{k^2}-\frac{1}{2k^3}+\frac{5}{6k^4}-\frac{1}{2k^5}+\frac{1}{6k^6} \right)<$$

$$<\exp \left( \frac{\pi^2}{6}+\frac{\pi^4}{108}+\frac{\pi^6}{5670}-1-\frac{\zeta (3)}{2}-\frac{\zeta (5)}{2} \right)=1.81654$$

El valor numérico de la infinita producto es de aproximadamente:

$$\prod_{k \geq 2}\sqrt[k]{1+\frac{1}{k}}=1.758743628$$

El ISC no encontró cerrada a partir de este número.

¿Hay alguna forma de evaluar este producto o encontrar el mejor de los límites en la forma cerrada?


Editar

Clemente C sugirió tomar logaritmo y fue una sugerencia muy útil, ya que tengo la serie:

$$\ln \prod_{k \geq 2}\sqrt[k]{1+\frac{1}{k}}= \frac{1}{2} \ln \left(1+\frac{1}{2} \right)+\frac{1}{3} \ln \left(1+\frac{1}{3} \right)+\dots$$

No sé cómo encontrar la forma cerrada, pero ciertamente puedo usar para encontrar los límites (desde la serie de logaritmo son muy simples).

$$\frac{1}{2} \ln \left(1+\frac{1}{2} \right)+\frac{1}{3} \ln \left(1+\frac{1}{3} \right)+\dots>\sum^{\infty}_{k=2} \frac{1}{k^2}-\frac{1}{2}\sum^{\infty}_{k=2} \frac{1}{k^3}$$

$$\prod_{k \geq 2}\sqrt[k]{1+\frac{1}{k}}>\exp \left( \frac{\pi^2}{6}-\frac{1}{2}-\frac{\zeta (3)}{2} \right)=1.72272$$

$$\prod_{k \geq 2}\sqrt[k]{1+\frac{1}{k}}<\exp \left( \frac{\pi^2}{6}+\frac{\pi^4}{270}-\frac{5}{6}-\frac{\zeta (3)}{2} \right)=1.77065$$

$$\prod_{k \geq 2}\sqrt[k]{1+\frac{1}{k}}>\exp \left( \frac{\pi^2}{6}+\frac{\pi^4}{270}-\frac{7}{12}-\frac{\zeta (3)}{2} -\frac{\zeta (5)}{4}\right)=1.75438$$

$$\prod_{k \geq 2}\sqrt[k]{1+\frac{1}{k}}<\exp \left( \frac{\pi^2}{6}+\frac{\pi^4}{270}+\frac{\pi^6}{4725}-\frac{47}{60}-\frac{\zeta (3)}{2} -\frac{\zeta (5)}{4}\right)=1.76048$$

$$\prod_{k \geq 2}\sqrt[k]{1+\frac{1}{k}}>\exp \left( \frac{\pi^2}{6}+\frac{\pi^4}{270}+\frac{\pi^6}{4725}-\frac{37}{60}-\frac{\zeta (3)}{2} -\frac{\zeta (5)}{4} -\frac{\zeta (7)}{6}\right)=1.75803$$

Este método genera mucho mejor los límites de mi primera idea. Los dos últimos son muy buenas aproximaciones.


Edit 2

En realidad, sería correcto escribir (le da el valor correcto del producto):

$$\prod_{k \geq 2}\sqrt[k]{1+\frac{1}{k}}=\frac{1}{2} \exp \left( \sum_{k \geq 2} \frac{(-1)^k \zeta(k)}{k-1} \right)$$

8voto

Yuriy S Puntos 179

Esta no es una respuesta, pero es importante y que los publique separadamente de la cuestión por sí mismo.

He encontrado en esta respuesta por @RandomVariable la siguiente serie:

$$\sum_{k=1}^{\infty} \frac{\ln (k+1)}{k(k+1)}=\frac{\pi^2}{4}-1-4\int_{0}^{\infty} \frac{\arctan x}{1+x^{2}} \frac{dx}{e^{\pi x}+1}=\frac{\pi^2}{4}-1-4\int_{0}^{\pi/2} \frac{t~dt}{e^{\pi \tan t}+1} $$

Ellos están relacionados con la $\gamma_1$ - Stieltjes constante.

Esta misma serie también apareció en este papel por Steven Pinzón, página 5.

$$\sum_{k=1}^{\infty} \frac{\ln (k+1)}{k(k+1)}=1.2577468869$$

Este es el mismo valor numérico, como:

$$\sum_{k=1}^{\infty} \frac{\ln (1+\frac{1}{k})}{k}=1.2577468869$$

Lo que se confirma en este trabajo por el mismo autor, en la página 3, donde esta forma de la serie se utiliza.

Está conectado a la integral (página 2, el mismo papel):

$$\sum_{k=1}^{\infty} \frac{\ln (1+\frac{1}{k})}{k}=-\int_{1}^{\infty} \frac{\ln (y-[y])}{y^2}dy$$

Donde $[y]$ es la función del suelo, lo que significa $y-[y]$ es la parte fraccionaria de $y$.

En otro artículo de esta serie está conectado a la cantidad de divisores de a $n!$, sin embargo ligeramente diferente representación integral se utiliza (página 3):

$$\sum_{k=1}^{\infty} \frac{\ln (1+\frac{1}{k})}{k}=\int_{1}^{\infty} \frac{\ln ([y]+1)}{y^2}dy$$

Y finalmente, esto es un poco relacionado con Alladi-Grinstead Constante, la cual está dada por:

$$e^{c-1}$$

$$c=\sum_{k=2}^{\infty} \frac{\ln (\frac{k}{k-1})}{k}=\sum_{k=1}^{\infty} \frac{\ln (1+\frac{1}{k})}{k+1}=0.788530566$$

Véase también el original Alladi y Grinstead papel aquí.

Y esto también está conectado de alguna manera a la Luroth serie de representaciones de los números reales.

Ah, y gracias a @SteveKass para este enlace útil.


La comparación de la convergencia de las tres de la serie, nos encontramos con que a pesar de que son equivalentes, la tasa de convergencia es drásticamente diferente.

$$\sum_{k=1}^{\infty} \frac{\ln (k+1)}{k(k+1)}=\sum_{k=1}^{\infty} \frac{\ln (1+\frac{1}{k})}{k}=\sum_{k = 2}^{\infty} \frac{(-1)^k \zeta(k)}{k-1}$$

Convergence


También podemos obtener el siguiente interesante la igualdad:

$$(1+1)\sqrt{1+\frac{1}{2}} \sqrt[3]{1+\frac{1}{3}} \sqrt[4]{1+\frac{1}{4}} \cdots=\sqrt{2} \sqrt[6]{3} \sqrt[12]{4} \sqrt[20]{5} \sqrt[30]{6} \cdots=\prod_{k=1}^{\infty}(k+1)^{\frac{1}{k(k+1)}}$$

7voto

Anthony Shaw Puntos 858

No sé si es una forma cerrada existe, pero para llegar geométrica de convergencia, podemos utilizar la siguiente.

Ya que el producto comienza a $k=2$, podemos calcular la suma $$ \begin{align} \sum_{k=2}^\infty\frac1k\log\left(1+\frac1k\right) &=\sum_{k=2}^\infty\frac1k\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n-1}}{nk^n}\\ &=\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n-1}}n\sum_{k=2}^\infty\frac1{k^{n+1}}\\ &=\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n-1}\frac{\zeta(n+1)-1}{n}\\[6pt] &=0.564599706384424320592667709038 \end{align} $$ Tenga en cuenta que $\frac{\zeta(n+1)-1}{n}\sim\frac1{n2^{n+1}}$. Esto le da mejor que el geométrica de convergencia.

La aplicación de $e^x$, obtenemos $$ \prod_{k=2}^\infty\left(1+\frac1k\right)^{1/k}=1.75874362795118482469989684966 $$

i-Ciencias.com

I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.

Powered by:

X