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Una serie infinita, además de un continuo fracción por Ramanujan

Aquí es un famoso problema planteado por Ramanujan

Mostrar que $$\left(1 + \frac{1}{1\cdot 3} + \frac{1}{1\cdot 3\cdot 5} + \cdots\right) + \left(\cfrac{1}{1+}\cfrac{1}{1+}\cfrac{2}{1+}\cfrac{3}{1+}\cfrac{4}{1+\cdots}\right) = \sqrt{\frac{\pi e}{2}}$$

La primera serie parece vagamente familiar si consideramos que la función $$f(x) = x + \frac{x^{3}}{1\cdot 3} + \frac{x^{5}}{1\cdot 3\cdot 5} + \cdots$$ and note that $$f'(x) = 1 + xf(x)$$ so that $y = f(x)$ satisfies the differential equation $$\frac{dy}{dx} - xy = 1, y(0) = 0$$ The integrating factor here comes to be $e^{-x^{2}/2}$ so that $$ye^{-x^{2}/2} = \int_{0}^{x}e^{-t^{2}/2}\,dt$$ and hence $$f(x) = e^{x^{2}/2}\int_{0}^{x}e^{-t^{2}/2}\,dt$$ Thus the sum of the first series is $$f(1) = \sqrt{e}\int_{0}^{1}e^{-t^{2}/2}\,dt$$ But I have no idea about the continued fraction and still more I am not able to figure out how it would simplify to $\sqrt{\pi e/2}$ al final.

Por favor proporcione consejos o sugerencias.

Actualización: Tenemos $$\begin{aligned}f(1) &= \sqrt{e}\int_{0}^{1}e^{-t^{2}/2}\,dt = \sqrt{e}\int_{0}^{\infty}e^{-t^{2}/2}\,dt - \sqrt{e}\int_{1}^{\infty}e^{-t^{2}/2}\,dt\\ &= \sqrt{\frac{\pi e}{2}} - \sqrt{e}\int_{1}^{\infty}e^{-t^{2}/2}\,dt\end{aligned}$$ and hence we finally need to establish $$\sqrt{e}\int_{1}^{\infty}e^{-t^{2}/2}\,dt = \cfrac{1}{1+}\cfrac{1}{1+}\cfrac{2}{1+}\cfrac{3}{1+}\cfrac{4}{1+\cdots}$$ On further searching in Ramanujan's Collected Papers I found the following formula $$\int_{0}^{a}e^{-x^{2}}\,dx = \frac{\sqrt{\pi}}{2} - \cfrac{e^{-a^{2}}}{2a+}\cfrac{1}{a+}\cfrac{2}{2a+}\cfrac{3}{a+}\cfrac{4}{2a+\cdots}$$ y es que parece ser útil aquí. Pero, por desgracia probar esta fórmula parece ser un gran desafío para mí.

29voto

Omran Kouba Puntos 19191

Este es un boceto de la prueba, los detalles se pueden encontrar aquí. Voy a ofrecer este esquema debido a que el papel no era la intención de demostrar este resultado en particular, y creo que es una prueba de que podría haber sido escrito en algún otro lugar.

Considere la posibilidad de Molinos relación definida por: $$\varphi(x)=e^{x^2/2}\int_x^\infty e^{-t^2/2}dt.$$

Proposición 1. No hay una única secuencia de pares de polinomios $((P_n,Q_n))_n$ tal que $$\varphi^{(n)}(x)=P_n(x)\varphi(x)-Q_n(x)$$ Por otra parte, estos polinomios puede ser definido inductivamente por $$P_{n+1}(x)=xP_n(x)+P'_n,\quad Q_{n+1}=P_n(x)+Q'_n(x)$$ con evidentes las condiciones iniciales.

La prueba en directo a través de la inducción.

Proposición 2. Las secuencias de $(P_n)_{n}$ $(Q_n)_{n}$ satisfacer las siguientes propiedades.

  1. $(P_0,P_1)=(1,x)$, y para todos los $n\geq1$ tenemos $P_{n+1}=xP_n+nP_{n-1}$.
  2. $(Q_0,Q_1)=(0,1)$, y para todos los $n\geq1$ tenemos $Q_{n+1}=xQ_n+nQ_{n-1}$.
  3. Para todos los $n\geq1$ tenemos $P^\prime_{n}=nP_{n-1}$.

De hecho, esto se desprende de Leibniz $n$th derivado de la fórmula aplicada a $\varphi'(x)=x\varphi(x)-1$, y la singularidad de la declaración en la Proposición 1.

Proposición 3. Para todos los $n\geq0$,$Q_{n+1}P_n-P_{n+1}Q_n=(-1)^nn!$.

Esto también fácil de inducción.

Proposición 4. Para todos $n\geq0$, $(-1)^n\varphi^{(n)}(x)>0$.

Este es un paso crucial. Tenga en cuenta que $$\varphi(x)=\int_0^\infty e^{-tx}e^{-t^2/2}dt$$ por lo tanto $$\varphi^{(n)}(x)=(-1)^n\int_0^\infty t^ne^{-tx}e^{-t^2/2}dt$$

Corolario 5. Las secuencias de $(P_n)_{n }$ $(Q_n)_{n }$ satisfacer las siguientes propiedades.

  1. Para todos los $n\geq0$, y todos los $x>0$, tenemos $${Q_{2n}(x)\over P_{2n}(x)}<\varphi(x)<{Q_{2n+1}(x)\over P_{2n+1}(x)}.$$
  2. Para todos los $n\geq0$, y todos los $x>0$, tenemos $$\left|\varphi(x)-{Q_n(x)\over P_n(x)}\right|<\frac{n!}{P_n(x)P_{n+1}(x)}.$$
  3. Para todos los $x>0$, tenemos $$ \lim_{n\to\infty}{Q_n(x)\over P_n(x)}=\varphi(x).$$

Este último resultado, y las relaciones de recurrencia de la Proposición 2. demuestra que $(Q_n/P_n)$ son los convergents de los no regulares continuó fracción: $$ \frac{Q_n}{P_n}=\cfrac{1}{x+\cfrac{1}{x+\cfrac{2}{x+\cfrac{3}{x+\cfrac{4}{x+\cfrac{\ddots}{n/x}}}}}} $$

Finalmente, la deseada igualdad se sigue del hecho de que $\varphi(1)+f(1)=\sqrt{\frac{e\pi}{2}}$ donde $f$ es la función considerada por el OP. Esto concluye el croquis de la prueba.$\qquad\square$

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