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Suma de forma cerrada de $\sum^{\infty}_{n=1} \frac{1}{3^n-1}$

Wolframalpha utiliza $q$ -Función poligámica para representar la suma, por lo que esencialmente no hace nada. Aquí me pregunto si esta suma puede ser representada por una función elemental.

La suma es como una suma infinita de series geométricas: $$ \begin{aligned} \sum^{\infty}_{n=1} \frac{1}{3^n-1} =& \sum^{\infty}_{n=1} \frac{(\frac{1}{3})^n}{1-(\frac{1}{3})^n} \\ =& \left(\frac{1}{3} + \frac{1}{3^2} + \frac{1}{3^3} + \cdots\right) \\ +& \left(\frac{1}{3^2} + \frac{1}{(3^2)^2} + \frac{1}{(3^2)^3} + \cdots\right) \\ +& \left(\frac{1}{3^3} + \frac{1}{(3^3)^2} + \frac{1}{(3^3)^3} + \cdots\right) \\ +& \cdots \end{aligned} $$

¿Hay alguna técnica especial para sumar este tipo de series?

7voto

Marko Riedel Puntos 19255

Podemos calcular una expansión asintótica de esta suma utilizando las transformadas de Mellin. Sea $f(x)$ sea la función base $$f(x) = \frac{1}{3^x-1}.$$ La transformada Mellin $f^*(s)$ de $f(x)$ es $$ \mathfrak{M}(f(x); s) = f^*(s) = \int_0^\infty \frac{x^{s-1}}{3^x-1} dx = \int_0^\infty \frac{1}{3^x} \frac{1}{1-3^{-x}} x^{s-1} dx \\ = \int_0^\infty \frac{1}{3^x} \left(\sum_{q\ge 0} 3^{-qx} \right) x^{s-1} dx = \sum_{q\ge 0} \int_0^\infty 3^{-(q+1)x} x^{s-1} dx \\= \Gamma(s) \sum_{q\ge 0} \frac{1}{(\log 3)^s (q+1)^s} = \frac{1}{(\log 3)^s} \Gamma(s) \zeta(s). $$ Se deduce que la transformada de Mellin de la suma armónica $$ g(x) = \sum_{n\ge 1} \frac{1}{3^{nx}-1}$$ es $$ \mathfrak{M}(g(x); s) = g^*(s) = \frac{1}{(\log 3)^s} \Gamma(s) \zeta(s)^2.$$ Ahora invierte para obtener la suma. Enumeramos las contribuciones de los polos principales. Suma de estos para obtener la expansión asintótica. $$\begin{array} \operatorname{Res}(g^*(x) x^{-s}; s=1) & = & \frac{1}{\log 3} \left( (\gamma - \log \log 3) \frac{1}{x} - \frac{\log x}{x} \right)\\ \operatorname{Res}(g^*(x) x^{-s}; s=0) & = & \frac{1}{4} \\ \operatorname{Res}(g^*(x) x^{-s}; s=-1) & = & -{\frac {1}{144}}\,\log \left( 3 \right) x \\ \operatorname{Res}(g^*(x) x^{-s}; s=-3) & = & -{\frac {1}{86400}}\,{x}^{3} \left( \log 3 \right) ^{3} \\ \operatorname{Res}(g^*(x) x^{-s}; s=-5) & = & -{\frac {1}{7620480}}\,{x}^{5} \left( \log 3 \right)^5. \end{array}$$

Esta ampliación parcial ya es bastante buena, da $0.6821535092$ en $x=1$ mientras que el valor exacto es $0.6821535026.$

5voto

Mike Puntos 1113

Generalmente, las constantes de esta forma ( $\displaystyle\sum_n\dfrac{1}{a^n-b}$ ) se sabe que son irracionales, pero AFAIK no se conocen formas cerradas; ver http://mathworld.wolfram.com/Erdos-BorweinConstant.html para conocer algunos detalles. Nótese que la propia constante de Erdos-Borwein (que es su suma con $2^n-1$ en lugar de $3^n-1$ ) surge en el análisis de la ordenación de la selección; véase el final de la sección 5.2.3 de El arte de la programación informática y, en particular, el ejercicio 27, para conocer los detalles de cómo surge en ese análisis.

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