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Cómo suma $\frac1{1\cdot 2\cdot 3\cdot 4} + \frac4{3\cdot 4\cdot 5\cdot 6} + \frac9{5\cdot 6\cdot 7\cdot 8} + \cdots$ rápidamente?

El Problema:

$$\frac1{1\cdot 2\cdot 3\cdot 4} + \frac4{3\cdot 4\cdot 5\cdot 6} + \frac9{5\cdot 6\cdot 7\cdot 8} + \frac{16}{7 \cdot 8 \cdot 9 \cdot 10} + \cdots$$

De cualquier manera más inteligente de resolver esto puede ser dentro de un minuto o dos?


Voy a añadir mi solución,Si usted es un estudiante, por favor no leer-en el encuentro de este problema en particular a algún tipo de interesante, así que intentar de una vez :-)

Empecé tratando de encontrar la $T_n$ th plazo

$$T_n = \frac{n^2}{(2n-1)(2n)(2n+1)(2n+2)}$$ $$ = \frac1{24} \times \biggl( \frac1{2n-1} + \frac3{2n+1} - \frac4{2n+2} \biggr)$$

$$ = \frac1{24} \times \biggl[\biggl( \frac1{2n-1} + \frac1{2n+1}\biggr) + 4 \times \biggl(\frac1{2n+1} - \frac1{2n+2} \biggr) \biggr]$$

Después de esto se convierte en muy fácil, $$ S_\infty = \frac1{24} \times \biggl[( 1 - \frac13 + \frac13 - \frac15 + \frac15 + \cdots ) + 4 \times (\ln 2 - \frac12)\biggr]$$

$$ = \frac16 \log_e 2 - \frac1{24}$$

Pero como usted puede ver, este método es un poco tedioso y me tomó unos 30 minutos para reducir el $T_n$ a de que forma. Cualquier otro smart enfoques?

10voto

Alex Bolotov Puntos 249

Problemas como estos son generalmente susceptibles a la fracción parcial de descomposición.

Desde mi experiencia con el examen de problemas como estos, una vez que hacemos el parcial fracciones (que se puede hacer con bastante rapidez como se describe a continuación), o bien podemos hacer algún tipo de una suma telescópica, o escribir el resultado como una combinación de bien conocidos de la serie. En algunos casos, usted puede rápida y mecánicamente aplicar estimaciones conocidas para bien conocidos de la serie y encontrar la suma. Por supuesto, cada problema es diferente y puede que tenga que ser creativo.

Tratemos de que se acercan a su problema.


Paso 1: División en Fracciones Parciales

Puede intentar lo siguiente que debe dar el parcial fracción de descomposición con bastante rapidez.

Conjunto

$$ \dfrac{n}{2(2n-1)(2n+1)(2n+2)} = \dfrac{A}{2n-1} + \dfrac{B}{2n+1} + \dfrac{C}{2n+2}$$

Multiplicando por $\displaystyle 2n-1$ y ajuste de $\displaystyle n=1/2$ da

$\displaystyle A = \dfrac{1/2}{2 \times 2 \times 3} = \dfrac{1}{24}$.

Multiplicar el original por $\displaystyle 2n+1$ y establezca $\displaystyle n=-1/2$. Esto nos da $B$.

$\displaystyle B = \dfrac{-1/2}{2 \times -2 \times 1} = \dfrac{1}{8}$

Multiplicar el original por $\displaystyle 2n+2$ y establezca $\displaystyle n = -1$. Esto nos da

$\displaystyle C = \dfrac{-1}{ 2 \times -3 \times -1 } = \dfrac{-1}{6}$.

Así

$$ \dfrac{n}{2(2n-1)(2n+1)(2n+2)} = \dfrac{1}{24}\left(\dfrac{1}{2n-1} + \dfrac{3}{2n+1} - \dfrac{4}{2n+2}\right)$$

Al parecer esto es debido a Heaviside: http://en.wikipedia.org/wiki/Heaviside_cover-up_method


Paso 2: Sumar la serie

Ahora para hallar la suma, puede utilizar el siguiente, que no requiere ninguna inteligente manipulaciones algebraicas y así se puede hacer con bastante rapidez.

$$H_n = \sum_{j=1}^{n} \dfrac{1}{j} = \log n + \gamma + \mathcal{O}\left(\dfrac{1}{n}\right)$$

Esto nos da

$$\sum_{j=1}^{n} \dfrac{1}{2j - 1} = H_{2n} - \dfrac{1}{2} H_n = \log 2 + \frac{\log n}{2} + \gamma/2 + \mathcal{O}\left(\dfrac{1}{n}\right)$$

Por lo tanto su suma a $n$ términos

$$\dfrac{1}{24}\left(\log 2 + \dfrac{\log n}{2} + \gamma/2 + 3\log 2 + 3 \dfrac{\log (n+1)}{2} - 3 + 3 \gamma/2 - 2\log (n+1) - 2\gamma +2\right) + \mathcal{O}\left(\dfrac{1}{n}\right)$$

Desde $\log(n+1) = \log n + \mathcal{O}\left(\dfrac{1}{n}\right)$ tenemos que la suma de n términos es

$$\dfrac{1}{24}(4 \log 2 -1) + \mathcal{O}\left(\dfrac{1}{n}\right)$$

Como $\displaystyle n \to \infty$,

el límite es

$$ \dfrac{1}{24}(4 \log 2 - 1)$$

Nota: Como J. M de los puntos en los comentarios de abajo, un método general similar a la anterior se puede encontrar en Abramowitz y Stegun del libro:

La técnica que se utiliza para sumar el la serie se describe en Abramowitz y Stegun. (Armónica de los números y digamma funciones son trivialmente relacionados).

Nota 1: Como Mike puntos, fuera, hay una versión actualizada del libro está disponible aquí: http://dlmf.nist.gov/

3voto

David HAust Puntos 2696

De nuevo esto es trivial el empleo de telescopy. Después de la fracción parcial de la descomposición de la sumando que tiene la forma de $\rm\ a_1(n-1) - a_1(n) + c\ (a_1(n)+a_0(n))\ $ donde $\rm\ a_0(n),\ a_1(n)\ $ son los coeficientes de la par, impar parte de la $\rm log\ x\ $ de la potencia de la serie, para $\rm\ x = 2\:.\:$ La suma de la primera parte $\rm\ a_1(n-1) - a_1(n)\ $ telescopios a $\rm\:a(0)\:$ y la suma de la segunda parte combina todos los pares y los impares términos en el poder completo de la serie para $\rm\: log\ 2\:.\ $ Aviso cómo muy simple de este planteamiento. En particular, no se requiere ningún conocimiento de asymptotics de la serie armónica - como en el enfoque en Morón de la respuesta.

Generalmente no hay ingenio es necesario para encontrar telescopy. Se puede hacer mecánicamente como sigue. Deje $\rm\:S\:$ ser el cambio de $\rm\: S\ a(n)\: \to\: a(n+1)\:,\: $ y deje $\rm\ P(S)\ $ ser un polinomio en $\rm\:S\:$ cuyos coeficientes $\rm\:c\:$ w constante.r.t. $\rm\:n\:,\ $ es decir $\rm\ S\ c = c\:.\: $ $\rm\ \sum\ P(S)\ a(n)\ =\ \sum\ (P(S)-P(1))\ a(n)\ +\ P(1)\: \sum\: a(n)\:.\ $ El primer suma de los telescopios ya que el Factor Teorema $\rm\: \Rightarrow\ S-1 \:|\: P(S)-P(1)\:.\ $ por lo Tanto la suma de cálculo se reduce a la de la simple $\rm\ \sum\: a(n)\:.$

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