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El redondeo es asintóticamente inútil?

Recientemente me encontré con el buen resultado que

$$\left\lfloor n \right\rfloor - \left\lfloor\frac{n}{2}\right\rfloor + \left\lfloor\frac{n}{3}\right\rfloor - \left\lfloor \frac{n}{4}\right\rfloor + \dots \sim n \log 2$$

donde $\displaystyle a_n \sim b_n$ $\displaystyle \lim_{n\to \infty} \frac{a_n}{b_n} = 1$.

Así que, básicamente, lo que el resultado anterior que dice es que

$$\left\lfloor n \right\rfloor - \left\lfloor\frac{n}{2}\right\rfloor + \left\lfloor\frac{n}{3}\right\rfloor - \left\lfloor \frac{n}{4}\right\rfloor + \dots + (-1)^n\left\lfloor \frac{n}{n}\right\rfloor \sim n - \frac{n}{2} + \frac{n}{3} - \frac{n}{4} + \dots + (-1)^n\frac{n}{n}$$

y el hecho de que tomamos la parte entera no tiene ningún efecto, asintóticamente.

Lo he intentado un par de otras secuencias, como la serie armónica, y la serie geométrica con relación $\frac{1}{2}$, y los resultados parecían ser similares, pero las pruebas eran dependientes de la serie en cuestión.

Así que tratando de generalizar:

Supongamos que $a_1, a_2, \dots, a_n, \dots$ es una secuencia de cero enteros, tales que $|a_1| \lt |a_2| \lt \dots \lt |a_n| \lt \dots$ y

$$ \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{a_k} \sim f(n)$$

(Tenga en cuenta que $f(n)$ puede ser constante).

Deje de $s_i$ ser el signo de $a_i$ (es decir, $s_i = 1$ si $a_i \gt 0$ y $-1$ lo contrario).

La pregunta es, ¿es cierto que

$$ \sum_{k=1}^{n} s_i \left\lfloor \frac{n}{|a_k|}\right\rfloor \sim n f(n)$$

?

Espero que no sea algo obvio...

23voto

Romulo Ceccon Puntos 188

Vamos $(a_n)$ ser una secuencia de números reales.

Aquí está la prueba para el caso $|f(n)| \to \infty$.

Escribir $$\left\lfloor \frac{n}{|a_k|}\right\rfloor = \frac{n}{|a_k|} - \delta_{k,n},$$

donde $0 \leq \delta_{k,n} < 1$. Sustituyendo esto en la suma obtenemos

$$\begin{align*} \sum_{k=1}^{n} s_k \left\lfloor \frac{n}{|a_k|}\right\rfloor &= \sum_{k=1}^{n} \left(\frac{n}{a_k} - s_k \delta_{k,n}\right) \\ &= n \sum_{k=1}^{n}\frac{1}{a_k} - \sum_{k=1}^{n} s_k \delta_{k,n}. \end{align*}$$

Se puede obtener un crudo límite en el derecho de la suma,

$$\left|\sum_{k=1}^{n} s_k \delta_{k,n}\right| \leq \sum_{k=1}^{n} \delta_{k,n} < n,$$

así que

$$\sum_{k=1}^{n} s_k \left\lfloor \frac{n}{|a_k|}\right\rfloor = n \sum_{k=1}^{n}\frac{1}{a_k} + O(n).$$

Así

$$\frac{\sum_{k=1}^{n} s_k \left\lfloor \frac{n}{|a_k|}\right\rfloor}{n f(n)} = \frac{\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{a_k}}{f(n)} + O\left(\frac{1}{f(n)}\right) \a 1.$$

Q. E. D.


Edit: he Aquí la prueba de otro caso. Definir $M(n)$ a ser la menos entero, si es que existe, tal que $n < |a_k|$ para todo $k > M(n)$.

La proposición. Supongamos que

  1. $0 < C \leq |f(n)|$ para $n$ lo suficientemente grande,

  2. $n/a_n = o(1)$,

  3. $M(n) = o(n)$,

  4. $f(n) \sim b\,f(M(n))$ para algunas constantes a $b$.

Entonces $$\sum_{k=1}^{n} s_k \left\lfloor \frac{n}{|a_k|}\right\rfloor \sim n f(n).$$

Tenga en cuenta que dado que $n/a_n \to 0$, $M(n)$ existe y $M(n) \to \infty$.

Prueba. Definimos $\delta_{k,n}$ como el anterior. La suma se convierte en

$$\sum_{k=1}^{n} s_k \left\lfloor \frac{n}{|a_k|}\right\rfloor = n \sum_{k=1}^{M(n)}\frac{1}{a_k} - \sum_{k=1}^{M(n)} s_k \delta_{k,n}.$$

Volvemos a tener una vaga límite en el derecho de la suma,

$$\left|\sum_{k=1}^{M(n)} s_k \delta_{k,n}\right| < M(n),$$

y así

$$\frac{\sum_{k=1}^{n} s_k \left\lfloor \frac{n}{|a_k|}\right\rfloor}{b n f(M(n))} = \frac{\sum_{k=1}^{M(n)} \frac{1}{a_k}}{b, f(M(n))} + O\left(\frac{M(n)}{n}\right) \a 1.$$

Por lo tanto $$\sum_{k=1}^{n} s_k \left\lfloor \frac{n}{|a_k|}\right\rfloor \sim b n f(M(n)) \sim n f(n).$$

Q. E. D.

Corolario. Supongamos que

  1. $a_n > 0$ para todo $n$,

  2. $\sum 1/a_n < \infty$,

  3. $M(n) = o(n)$.

Entonces $$\sum_{k=1}^{n} \left\lfloor \frac{n}{a_k}\right\rfloor \sim n f(n).$$

Vamos a escribir "$n$C" para referirse a la condición $n$ en el corolario, y "$n$P" para referirse a la condición $n$ en la proposición.

Prueba. Condiciones 1C y 2C implica 2P inmediatamente. Además, se puede escribir $$f(n) = \sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{a_k} + o(1)$ de$ lo que implica condiciones de 1P y 4P.

Q. E. D.

Como una aplicación de la anterior corolario, la totalidad de los $p$-series tiene la propiedad deseada. Hacemos un llamamiento a la proposición para ver que todos los verdaderos serie geométrica (excepto $\sum (-1)^n$) también tiene la propiedad deseada. El resultado entonces es verdadera para todas las series que no convergen a $0$ cuya convergencia se puede deducir por la comparación con un $p$-serie o una serie geométrica.


Edit 2: yo sólo quería añadir a esto que no es un resultado interesante, por H. Shapiro que puede ser pensado como un parcial contrario a la idea de que estamos discutiendo aquí. El resultado es probado y utilizado posteriormente para obtener un resultado en el orden de la primer función de conteo en este documento.

He estado sólo la parte pertinente aquí.

La Proposición (Shapiro). Vamos $(a_n)$ ser no negativo secuencia tal que $$\sum_{k=1}^{n} a_n \left\lfloor\frac{n}{k}\right\rfloor = n \log n + O(n)$$ para todo $n \geq 1$. Entonces $$\sum_{k=1}^{n} \frac{a_k}{k} = \log n + O(1).$$

8voto

Eric Naslund Puntos 50150

Aquí es una manera diferente de mirar la prueba para que cuando $f(n)\rightarrow \infty$. Podemos aplicar el mismo enfoque a como se realiza en esta respuesta; ya que $\lfloor x\rfloor =x+O(1)$, tenemos que $$\sum_{k=1}^n s_k \left\lfloor \frac{n}{|a_k|}\right\rfloor = n\sum_{k=1}^n \frac{s_k}{|a_k|}+O(n)=nf(n)+O(n).$$

Por lo tanto, si $f(n)\rightarrow \infty$, tenemos el deseado de forma asintótica.

La alternancia de la serie:

En el caso de que $a_k$ es una corriente alterna de la serie, podemos probar el teorema mediante el uso de la hipérbola método, aprovechando el hecho de que la serie de los suplentes.
Deje de $b_{k}=|a_{k}|.$ Entonces $0<b_{1}<b_{2}<\cdots<b_{k}$, de modo que $b_{k}\geq k,$ y $b_k=(-1)^ka_k$. Entonces

$$\sum_{k\leq n}s_{k}\left[\frac{n}{|a_{k}|}\right]=\sum_{k\leq n}(-1)^{k}\sum_{d\leq n,\ b_{k}|d}1=\sum_{d\leq n}\sum_{\begin{array}{c} k\leq n\\ b_{k}|d \end{array}}(-1)^{k}.$$ Este es entonces

$$\sum_{\begin{array}{c} db_{k}\leq n\\ k\leq n \end{array}}(-1)^{k}=\sum_{db_{k}\leq n}(-1)^{k}$$ donde podemos quitar la condición adicional de $k$ desde $k\leq b_{k}.$ Vamos A $A>0.$ Mediante el examen de las áreas de las diversas partes de la hipérbola $xy=n,$ podemos dividir a los de arriba como $$\sum_{d\leq A}\sum_{b_{k}\leq\frac{n}{d}}(-1)^{k}+\sum_{b_{k}\leq\frac{n}{A}}\sum_{d\leq\frac{n}{b_{k}}}(-1)^{k}-\sum_{d\leq Un}\sum_{b_{k}\leq\frac{n}{A}}(-1)^{k}.$$ Desde $\sum_{b_{k}\leq x}(-1)^{k}=O(1),$ vemos que la anterior es $$\sum_{b_{k}\leq\frac{n}{A}}\sum_{d\leq\frac{n}{b_{k}}}(-1)^{k}+O(A)=\sum_{b_{k}\leq\frac{n}{A}}(-1)^{k}\left[\frac{n}{b_{k}}\right]+O(A) =n\sum_{b_{k}\leq\frac{n}{A}}\frac{1}{a_{k}}+O\left(A+\frac{n}{A}\right)$$ y toma $A=\sqrt{n}$ es este

$$=n\sum_{b_{k}\leq\sqrt{n}}\frac{1}{a_{k}}+O\left(\sqrt{n}\right).$$ Podemos extender la anterior suma en $\sum_{k\leq n}\frac{1}{a_{k}}$ la introducción de un término de error de la forma $s(1)$, (que cuando se multiplica por $n$ es $o(n)$) desde que la serie $\sum_{k}\frac{1}{a_{k}}$ converge por la alternancia de la serie de prueba. Esto implica entonces que $$n\sum_{k\leq n}\frac{1}{a_k}\sim \sum_{k\leq n}s_k \left\lfloor \frac{n}{|a_k|}\right\rfloor.$$

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