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La aparente Contradicción de WolframAlpha en Calcuation de $\sum_{k=1}^\infty k^{k-1} e^{-k} / k!$

Considerar la infinita suma $$S = \sum_{k=1}^\infty \frac{k^{k-1} e^{-k}}{k!}.$$ Tenga en cuenta que una versión básica de Stirling fórmula dice que $k! \ge (k/e)^k \sqrt{2\pi k}$, y esto nos dice que $$S_N = \sum_{k=1}^N \frac{k^{k-1} e^{-k}}{k!} \le \sum_{k=1}^N \frac{k^{k-1} e^{-k}}{k^k e^{-k} \sqrt{2\pi k}} = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \sum_{k=1}^N k^{-3/2},$$ y por lo $S_N \to S$ $S$ una serie convergente. Por otra parte, una forma más fuerte de la fórmula de Stirling dice que $k! \ge (k/e)^k \sqrt{2\pi k} e^{1/(12k + 1)}$. Conectar este mismo da $$S \le \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \sum_{k=1}^\infty k^{-3/2} e^{-1/(12k+1)}.$$

WolframAlpha nos dice aquí que esta suma valor numérico aproximadamente $0.95$, y específicamente $S<1$. Sin embargo, al preguntar a WolframAlpha lo $S$ es directamente aquí, se dice que el $S = 1$.

Tan lejos como puedo ver, estos dos reclamos por WolframAlpha no puede ser constante. Es decir, a menos de que he cometido un error en alguna parte... tenga en cuenta que yo no he utilizado una aproximación para todos los $k$ que sólo es válido para un gran $k$: Wikipedia reclamaciones (a través de este documento) que la forma más fuerte tiene para todos los enteros positivos $k$, no solo lo suficientemente grandes.

Si alguien pudiera aclararme, yo estaría más que agradecido!


Tenga en cuenta que este SE pregunta junto con el hecho de que $z \mapsto z e^{-z}$ es únicamente maximizada en $z = 1$ nos dice que $S = 1$. De hecho, teniendo en $x = 1/e$ no nos da ese $S$ satisface $S e^{-S} = e^{-1}$, y sólo el $S$ satisfacer este es $S = 1$, por la maximización de los bienes mencionados anteriormente.

Así que parece que WolframAlpha es ser picado por el redondeo de los errores de redondeo. Gracias a todos por los comentarios.

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heropup Puntos 29437

La suma original es exactamente 1. La aproximación numérica de la última suma en su pregunta en realidad es $$1.0017976085327493751120130443778945039608311925192\ldots,$$ which is greater than $1$, para que una entrada en particular no se ha evaluado adecuadamente.

Os dejo como ejercicio para demostrar que $$\sum_{k=1}^\infty \frac{k^{k-1} e^{-k}}{k!} = 1.$$

Por cierto, la suma que surja de la más tosca forma de Stirling aproximación es $\zeta(3/2)/\sqrt{2\pi} \approx 1.04219$.

2voto

Dr. MV Puntos 34555

La función W de Lambert tiene la serie de $$W(x)=\sum_{k=1}^\infty \frac{(-1)^{k-1}\,k^{k-1}}{k!}x^k \tag 1$$

que tiene radio de convergencia $1/e$. La serie en $(1)$ puede ser obtenido usando Lagrange de la Inversión Teorema.

Ya tenemos $-W(-1/e)=1$, luego de $(1)$ vemos que

$$\sum_{k=1}^\infty \frac{(-1)^{k-1}\,k^{k-1}}{k!}\left(-\frac1e\right)^k=1$$

a partir de la cual queremos recuperar la identidad

$$\sum_{k=1}^\infty \frac{k^{k-1}e^{-k}}{k!}=1$$

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