10 votos

Suma de todas las diferencias de raíz natural consecutivo en una energía determinada

Accidentalmente, he observado que $\sqrt{n} - \sqrt{n-1}$ tiende a $0$ de los valores más altos de $n$, así que me he decidido a probar a la suma de todo, pero de esa suma se dividió en dos. Así que he tratado de hacer converger dándole un poder de $m$.

$$S_m=\sum_{n=1}^\infty (\sqrt{n} - \sqrt{n-1})^m $$

¿Cómo se calculan los valores de esta suma para un elegida $m$?

No solo estimar, pero escribe en una no-forma decimal, si es posible, preferentemente, a través de una mejor convergencia de la fórmula.


Hasta ahora no hemos podido extraer una fórmula o hacer cualquier avance relevante, por lo que he recurrido a wolframalpha.com y los datos experimentales.

Hasta el momento parece converger si $m>2$, según el Wolfram Alpha cálculos. ($m\in\mathbb{R}$)


Los valores parecen tienden a números que no se repiten decimales.

  • Gracias a achille hui y su respuesta parcial aquí, se parece a $S_m$ para valores impares de $m$ es una combinación lineal de riemann zeta función negativa de la mitad-valores enteros:

\begin{align} S_3 &\stackrel{}{=} -6\zeta(-\frac12) \approx 1.247317349864128\\ S_5 &\stackrel{}{=} -40\zeta(-\frac32) \approx 1.019408075593322\\ S_7 &\stackrel{}{=} -224\zeta(-\frac52) - 14\zeta(-\frac12) \approx 1.00261510344449 \end{align}


Si decidimos reemplazar la constante $m$ $n\times{k}$ donde $k$ es una nueva constante, entonces podemos hablar de $S_k$ que converge si $k>0$. Los valores tienden a números con aparentemente no-repetición de los decimales de acuerdo con el Wolfram Alpha:

$$ S_1 \aprox 1.20967597004937847717395464774494290 $$

Me pregunto si estos valores pueden también ser expresada en una manera similar a como lo $S_m$.

5voto

Joe Gauterin Puntos 9526

Esta es una respuesta parcial. Es el intento de justificar algunas expresiones que me obtenidos por extraño $m$ mediante la manipulación de las sumas que la divergencia de la serie.

Lo que he mostrado hasta ahora es para todos los impares $m \ge 3$$\le 99$, las siguientes sumas

$$S_m \stackrel{def}{=} \sum_{n=1}^\infty (\sqrt{n} - \sqrt{n-1})^m$$

es una combinación lineal de la función zeta negativo de la mitad-valores enteros.

Para cualquier $m > 0$, tenemos

$$(\sqrt{n} - \sqrt{n-1})^m = T_m(\sqrt{n}) - U_{m-1}(\sqrt{n})\sqrt{n-1}$$

donde $T_m(x)$, $U_{m-1}(x)$ son los polinomios de Chebyshev de primera y segunda clase.

Al $m = 2\ell+1$ es impar, $T_m(x)$ es una extraña polinomio en $x$ con degreee $2\ell+1$ $U_{m-1}(x)$ es incluso un polinomio en $x$ con grado de $2\ell$. Podemos reescribir la suma parcial de $S_m$

$$\begin{align} S_{m,p} \stackrel{def}{=} \sum_{n=1}^p (\sqrt{n}-\sqrt{n-1})^m & = \sum_{n=1}^p \left(T_m(\sqrt{n})-U_{m-1}(\sqrt{n})\sqrt{n-1} \right)\\ & = \left(\sum_{n=1}^p \left(T_m(\sqrt{n})-U_{m-1}(\sqrt{n+1})\sqrt{n}\right)\right) + U_{m-1}(\sqrt{p+1})\sqrt{p} \end{align} $$ Lo que está dentro de la suma de la última línea se $\sqrt{n}$ veces un polinomio en $n$ grado $\ell$.
Deje $\alpha_0, \alpha_1, \cdots \alpha_\ell$ ser los coeficientes de este polinomio. es decir, $$T_m(\sqrt{n})-U_{m-1}(\sqrt{n+1})\sqrt{n} = \sum_{k=0}^\ell \alpha_k n^{k+1/2}$$ En términos de ellos, tenemos $$S_{m,p} = \sum_{k=0}^\ell \alpha_k \sum_{n=1}^p n^{k+1/2} + U_{2\ell}(\sqrt{p+1})\sqrt{p}$$

Para cualquier $s > 0, \notin \mathbb{Z}$, tenemos las siguientes expansión asintótica${}^{\color{blue}{[1]}}$

$$\sum_{n=1}^p n^s - \zeta(-s) \asymp \frac{1}{s+1}\sum_{k=0}^\infty \binom{s+1}{k} (-1)^k B_k p^{s+1-k}$$

Deje $\Lambda(s,p)$ ser finito suma de los términos de RHS que diverge como $p \to \infty$.

$$\Lambda(s,p) \stackrel{def}{=} \frac{1}{s+1}\sum_{k=0}^{\left\lfloor s + 1 \right\rfloor} \binom{s+1}{k} (-1)^k B_k p^{s+1-k}$$

Por construcción, estas contra-términos de matar a la divergencia en la suma de $\sum\limits_{n=1}^p n^s$$p \to \infty$.
Más precisamente, hemos

$$\lim_{p\to\infty} \left( \sum_{n=1}^p n^s - \Lambda(s,p) \right) = \zeta(-s)$$

La reescritura de las sumas parciales de nuevo, tenemos

$$S_{m,p} = \sum_{k=0}^\ell \alpha_k \left( \sum_{n=1}^n n^{k+1/2} - \Lambda(k+1/2,p)\right) + \underbrace{ \sum_{k=0}^\ell \alpha_k \Lambda(k+1/2,p) + U_{2\ell}(\sqrt{p+1})\sqrt{p}}_{R(m,p)}$$

Si la pieza de $R(m,p)$ en la expresión anterior se desvanece de forma idéntica, vamos a tener

$$S_m = \lim_{p\to\infty} S_{m,p} = \sum_{k=0}^\ell \alpha_k \zeta(-(k+1/2))$$

No sé cómo demostrar a $R(m,p)$ desaparecen para general $m$. Sin embargo, por extraño $m \le 99$, he utilizado un CAS para calcular $R(m,p)$ simbólicamente y verificar todos ellos desaparecen de forma idéntica.

Como resultado, para la extraño $m \le 100$, $S_m$ es una combinación lineal para $\zeta(z)$ negativo de la mitad-valores enteros.
Para su referencia, la siguiente es una lista corta de $S(m)$ para las pequeñas extraño $m$.

$$ \begin{align} S_3 &= -6 \zeta(-1/2)\\ S_5 &= -40 \zeta(-3/2)\\ S_7 &= -14 \zeta(-1/2) -224 \zeta(-5/2) \\ S_9 &= -240 \zeta(-3/2) -1152 \zeta(-7/2)\\ S_{11} &= -22 \zeta(-1/2) -2464 \zeta(-5/2) -5632 \zeta(-9/2)\\ S_{13} &= -728 \zeta(-3/2) -19968 \zeta(-7/2) -26624 \zeta(-11/2)\\ S_{15} &= -30 \zeta(-1/2) -12096 \zeta(-5/2) -140800 \zeta(-9/2) -122880 \zeta(-13/2)\\ \end{align} $$

Notas

  • $\color{blue}{[1]}$ - He encontrado esta expansión en un ejercicio de Frank W. J. Olver del libro "Asymptotics y Specical Funciones". Ver el $\S 8.3$ "Contorno integral para el resto de plazo" para obtener más información sobre este tipo de expansión.

3voto

Matthew Scouten Puntos 2518

Convergen para $m > 2$, desde $\sqrt{n} - \sqrt{n-1} \sim 1/(2\sqrt{n})$ y $\sum_n n^{-m/2}$ converge para $m > 2$.

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