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Cómo muchos métodos para este límite $\lim_{n\to\infty}\left(\dfrac{1}{2}+\dfrac{3}{2^2}+\cdots+\dfrac{2n-1}{2^n}\right)$

encontrar el límite de $$\lim_{n\to\infty}\left(\dfrac{1}{2}+\dfrac{3}{2^2}+\cdots+\dfrac{2n-1}{2^n}\right)$$

Yo: vamos

$$S=\dfrac{1}{2}+\dfrac{3}{2^2}+\cdots+\dfrac{2n-1}{2^n}$$ $$\dfrac{1}{2}S=0+\dfrac{1}{2^2}+\cdots+\dfrac{2n-3}{2^n}+\dfrac{2n-1}{2^{n+1}}$$ así $$\dfrac{1}{2}S=\dfrac{1}{2}+\dfrac{2}{2^2}+\dfrac{2}{2^3}+\cdots+\dfrac{2}{2^n}-\dfrac{2n-1}{2^{n+1}}$$ así $$S=3-\dfrac{4}{2^n}-2\cdot\dfrac{n}{2^n}+\dfrac{1}{2^n}\longrightarrow 3,n\longrightarrow 3$$

solución 2:

deje $$S=\sum_{n=1}^{\infty}nx^n,|x|<1|$$ $$S=x\sum_{n=1}^{\infty}nx^{n-1}=x\left(\sum_{n=1}^{\infty}x^n\right)'=x\left(\dfrac{x}{1-x}\right)'$$

Ha bueno de otros métodos?Gracias

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Marko Riedel Puntos 19255

Si usted está buscando para recoger otros (verdaderamente) exótico soluciones a este, ciertamente, simple suma me puede ofrecer un uso armónico de sumas y Mellin transforma. Este bien podría calificar como un ganador, donde el eclecticismo se refiere.

Introducir $$T(x) = \sum_{n\ge 1}\frac{2n-1}{2^{xn}} = \frac{1}{\sqrt{2}^x} \sum_{n\ge 1}\frac{2n-1}{2^{xn-x\times1/2}} = \frac{1}{\sqrt{2}^x} \frac{1}{x} \sum_{n\ge 1}\frac{x(2n-1)}{\sqrt{2}^{x(2n-1)}}.$$ Vamos a evaluar $T(x)$ por la inversión de la transformada de Mellin $$S(x) = \sum_{n\ge 1}\frac{x(2n-1)}{\sqrt{2}^{x(2n-1)}}$$ and then put $x=1$ para obtener el valor de la suma.

Recordar que el armónico suma de identidad $$\mathfrak{M}\left(\sum_{k\ge 1} \lambda_k g(\mu_k x);s\right) = \left(\sum_{k\ge 1} \frac{\lambda_k}{\mu_k^s} \right) g^*(s)$$ donde $g^*(s)$ es la transformada de Mellin $g(x).$

En el presente caso tenemos $$\lambda_k = 1, \quad \mu_k = 2k-1 \quad \text{y} \quad g(x) = x\sqrt{2}^{-x}.$$ Necesitamos la Mellin transformar $g^*(s)$ $g(x)$ que es $$\int_0^\infty x\sqrt{2}^{-x} x^{m-1} dx = \int_0^\infty \sqrt{2}^{-x} x^{(s+1)-1} dx = \frac{1}{(1/2\log 2)^{s+1}}\Gamma(s+1).$$ Además, $$\sum_{k\ge 1} \frac{\lambda_k}{\mu_k^s} = \sum_{k\ge 1} \frac{1}{(2k-1)^s} = (1-2^{s})\zeta(s).$$ Por lo tanto, la Mellin transformar $Q(s)$ $S(x)$ está dado por $$Q(s) = \frac{1}{(1/2 \log 2)^{s+1}} (1-2^{-s}) \Gamma(s+1) \zeta(s).$$ La adecuada Mellin de inversión integral es el dado por $$\frac{1}{2\pi i}\int_{3/2-i\infty}^{3/2+i\infty} Q(s)/x^s ds.$$ El polo en $s=1$ a partir de la función zeta término residuo $$\mathrm{Res}(Q(s)/x^s; s=1) = \frac{1}{x} \frac{1}{(1/2 \log 2)^2} (1-2^{-1})\Gamma(1) = \frac{2}{x(\log 2)^2}.$$ El resto de los residuos de los polos en los enteros negativos se dan por $$- \sum_{q\ge 1} (1/2 \log 2)^{p-1} (1-2^q) \frac{(-1)^{p-1}}{(p-1)!} \frac{B_{p+1}}{q+1} x^q.$$ El trivial de los ceros de la función zeta plazo en los negativos números enteros cancelar los polos de la función gamma plazo en los valores. Todavía podemos dejar $q$ ejecutar a través de todos los números enteros negativos debido a los correspondientes números de Bernoulli son cero.

Re-escribo esto como $ $ x \sum_{q\ge 1} (1/2 \log 2)^{p-1} (1-2^q) (-1)^{p-1} \frac{B_{p+1}}{(p+1)!} q x^{p-1}.$$

Ahora la exponencial de la generación de la función de los números de Bernoulli está dada por $$\frac{t}{e^t-1} = \sum_{m\ge 0} B_m \frac{t^m}{m!}.$$ Por lo tanto $$-1 + \frac{t}{e^t-1} = t \sum_{m\ge 1} B_m \frac{t^{m-1}}{m.}$$ y $$\left(-\frac{1}{t} + \frac{1}{e^t-1}\right)' = \sum_{m\ge 2} \frac{B_m}{m.} (m-1) t^{m-2} = \sum_{m\ge 1} \frac{B_{m+1}}{(m+1)!} m t^{m-1}.$$ Esto le da $$\frac{1}{t^2} - \frac{e^t} {e^t-1)^2} = \sum_{m\ge 1} \frac{B_{m+1}}{(m+1)!} m t^{m-1}.$$ Ahora sustituimos los valores apropiados de $t$ a partir de la suma de los residuos en esta fórmula, recibiendo dos términos, el primero de los cuales da $t=-1/2\log 2 \times x$, la producción de $$x \left(\frac{1}{x^2 (1/2\log 2)^2} - \frac{1/\sqrt{2}^x}{(1/\sqrt{2}^x-1)^2}\right).$$ El segundo término ha $t=-\log 2 \times x$ y da $$-2x \left(\frac{1}{x^2 (\log 2)^2} - \frac{1/2^x}{(1/2^x-1)^2}\right).$$ Recoger las aportaciones de todos los residuos se obtiene finalmente $$ \frac{2}{x(\log 2)^2} - \frac{1}{x (1/2\log 2)^2} + x\frac{1/\sqrt{2}^x}{(1/\sqrt{2}^x-1)^2} + \frac{2}{x (\log 2)^2} - 2x\frac{1/2^x}{(1/2^x-1)^2}.$$ Llevar a cabo la cancelación tenemos que $$S(x) = x\frac{1/\sqrt{2}^x}{(1/\sqrt{2}^x-1)^2} - 2x\frac{1/2^x}{(1/2^x-1)^2}.$$ Esto implica que $$T(x) = \frac{1/2^x}{(1/\sqrt{2}^x-1)^2} - \frac{2}{\sqrt{2}^x} \frac{1/2^x}{(1/2^x-1)^2}.$$ En particular, para $x=1$ que $$T(1) = \frac{1/2}{(1/\sqrt{2}-1)^2} - \sqrt{2}\frac{1/2}{(1/2-1)^2} = \frac{1/2 ((1/\sqrt{2}+1)^2)}{(1/2-1)^2} - 2\sqrt{2} \\ = 2 ((1/\sqrt{2}+1)^2) -2\sqrt{2} = 2 (3/2+2/\sqrt{2}) -2\sqrt{2} = 3.$$

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