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La evaluación numérica de una infinita suma

Estoy tratando de evaluar numéricamente : \begin{equation} G = \frac{-1}{4\pi}\sum_{l=0}^{\infty}\frac{2l+1}{\frac{l(l+1)}{R^2}+\frac{1}{L_d^2}}P_l(\cos(\gamma)) \end{equation} Donde $P_l$ $l_{th}$ Polinomio de Legendre, $R = 6371000, Ld = 1000000$$\cos(\gamma)\in [-1,1) $. Sé que la serie converge para cualquier $\cos(\gamma) \neq 1$.

Hice un código muy simple en fortran90 que calcula la suma, pero yo realmente no sé cuánto términos de la suma, ¿hay alguna tolerancia o errores relativos puedo incluir en mi código?

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cbilz Puntos 426

No es una respuesta completa, sólo algunos pensamientos:

$$\frac{2\ell+1}{\frac{\ell(\ell+1)}{R^2} + \frac1{L_d^2}} \leq \max(R^2,L_d^2) \cdot \ell^{-1}$$

Es más, no existe la fórmula asintótica

$$ P_\ell(\cos \gamma) = J_0(\ell\gamma) + \mathcal O(\ell^{-1}) $$

donde $J_\nu$ indica las funciones de Bessel de primera especie. De lo que he encontrado, la constante en el término de error parece estar relacionado con el término de error en la fórmula de Stirling para factoriales, para el que se estima que son conocidos. Por desgracia, no puedo proporcionar una buena referencia para que.

También, algo que se conoce sobre el término de error en la forma asintótica de $J_0$:

$$ \biggl|J_0(\ell \gamma) - \sqrt{\frac2{\pi \ell \gamma}}\cos(\ell \gamma\tfrac14)\biggr| \leq \frac14 \cdot \Bigl(\frac2 \pi\Bigr)^{3/2}\cdot (\ell \gamma)^{-3/2}. $$ Esto se deduce del Teorema de 10 en https://arxiv.org/pdf/1107.2007.pdf.

Debe ser posible obtener una estimación numérica en el error de las sumas parciales en su problema al unir las piezas. Supongo que será algún trabajo aunque. Lo siento que yo no puedo ofrecer mucho más detalle. Yo no soy un experto en teoría de la aproximación.

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Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\bbx}[1]{\,\bbox[15px,border:1px groove armada]{\displaystyle{#1}}\,} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\,{#1}\,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\,{#1}\,\right\rbrack} \newcommand{\dd}{\mathrm{d}} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,\mathrm{e}^{#1}\,} \newcommand{\ic}{\mathrm{i}} \newcommand{\mc}[1]{\mathcal{#1}} \newcommand{\mrm}[1]{\mathrm{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left(\,{#1}\,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\,{#2}\,}\,} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{\mathrm{d}^{#1} #2}{\mathrm{d} #3^{#1}}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\,{#1}\,\right\vert}$

Permite a $\ds{r}$ $\ds{\bar{r}}$ de las raíces de $\ds{x\pars{x + 1}/R^{2} + 1/L_{d}^{2} = 0}$ para los valores dados de $\ds{R = 6371000}$ $\ds{L_{d} = 1000000}$.

Tenga en cuenta que $\ds{r = -\,{1 \over 2} + {\raíz{40339641} \más de 1000}\,\ic \aprox -\,{1 \over 2} + 6.3514\,\ic}$.

A continuación, \begin{align} G & \equiv -\,{1 \over 4\pi}\sum_{\ell = 0}^{\infty}{2\ell + 1 \over \ell\pars{\ell + 1}/R^{2} + 1/L_{d}^{2}}\,\mrm{P}_{\ell}\pars{\cos\pars{\gamma}} = -\,{1 \over 4\pi}\sum_{\ell = 0}^{\infty}{2\ell + 1 \over \pars{\ell - r}\pars{\ell - \bar{r}}}\,\mrm{P}_{\ell}\pars{\cos\pars{\gamma}} \\[5mm] & = -\,{1 \over 4\pi}\sum_{\ell = 0}^{\infty}\pars{% {2\ell + 1 \over \ell - r} + {2\ell + 1 \over \ell -\bar{r}}} {1 \over r - \bar{r}}\,\mrm{P}_{\ell}\pars{\cos\pars{\gamma}} \\[5mm] & = -\,{1 \over 4\pi\,\Im\pars{r}}\,\Im\sum_{\ell = 0}^{\infty} {2\ell + 1 \over \ell - r}\,\mrm{P}_{\ell}\pars{\cos\pars{\gamma}} = -\,{1 \over 4\pi\,\Im\pars{r}}\,\Im\bracks{\pars{2r + 1}% \sum_{\ell = 0}^{\infty}{\mrm{P}_{\ell}\pars{\cos\pars{\gamma}} \over \ell - r}} \\[5mm] & = -\,{1 \over 4\pi\,\Im\pars{r}}\,\Im\bracks{\pars{2r + 1}% \sum_{\ell = 0}^{\infty}\mrm{P}_{\ell}\pars{\cos\pars{\gamma}} \int_{0}^{1}x^{\ell - r - 1}\,\dd x} \\[5mm] & = -\,{1 \over 4\pi\,\Im\pars{r}}\,\Im\bracks{\pars{2r + 1}% \int_{0}^{1}x^{-r - 1} \sum_{\ell = 0}^{\infty}\mrm{P}_{\ell}\pars{\cos\pars{\gamma}}x^{\ell}\,\dd x} \\[5mm] & = -\,{1 \over 4\pi\,\Im\pars{r}}\,\Im\bracks{\pars{2r + 1}\int_{0}^{1}{x^{-r - 1} \over \root{1 - 2x\cos\pars{\gamma} + x^{2}}}\,\dd x} \end{align}

Resulta que $\ds{\Re\pars{r} = -1/2}$ tal que

\begin{align} G & \equiv -\,{1 \over 4\pi}\sum_{\ell = 0}^{\infty}{2\ell + 1 \over \ell\pars{\ell + 1}/R^{2} + 1/L_{d}^{2}}\,\mrm{P}_{\ell}\pars{\cos\pars{\gamma}} = -\,{1 \over 2\pi}\,\Re\bracks{\int_{0}^{1}{x^{-1/2 - \Im\pars{r}\,\ic} \over \root{1 - 2x\cos\pars{\gamma} + x^{2}}}\,\dd x} \\[5mm] & = -\,{1 \over 2\pi}\,\int_{0}^{1}{\cos\pars{\Im\pars{r}\ln\pars{x}} \over \root{1 - 2x\cos\pars{\gamma} + x^{2}}}\,{\dd x \over \root{x}} = \bbx{-\,{1 \over \pi}\,\int_{0}^{1}{\cos\pars{2\,\Im\pars{r}\ln\pars{x}} \over \root{1 - 2x^{2}\cos\pars{\gamma} + x^{4}}}\,\dd x} \end{align}

Ahora, usted puede probar algunos de cuadratura !!!.

Por otra parte, \begin{align} G & \equiv -\,{1 \over 4\pi}\sum_{\ell = 0}^{\infty}{2\ell + 1 \over \ell\pars{\ell + 1}/R^{2} + 1/L_{d}^{2}}\,\mrm{P}_{\ell}\pars{\cos\pars{\gamma}} \\[5mm] & = {1 \over \pi}\int_{0}^{1}\mrm{f}\pars{x,\gamma}\,\dd x - {1 \over \pi}\,\ \underbrace{% \int_{0}^{1}\cos\pars{2\,\Im\pars{r}\ln\pars{x}}\,\dd x} _{\ds{1 \over 1 + 4\bracks{\Im\pars{r}}^{2}}} \\[5mm] & \mbox{where}\quad \mrm{f}\pars{x,\gamma} = \left\{\begin{array}{ll} \ds{\cos\pars{2\,\Im\pars{r}\ln\pars{x}}\bracks{% 1 - {1 \over \root{1 - 2x^{2}\cos\pars{\gamma} + x^{4}}}}\,,} & \ds{0 < x \leq 1} \\[2mm] \ds{0\,,} & \mbox{otherwise} \end{array}\right. \end{align}


La siguiente imagen ilustra $\ds{G}$ como una función de $\ds{\gamma \in \pars{-4\pi,4\pi}}$. La integración se realizó con un $\ds{20}$De los puntos de la Regla Trapezoidal (TR). No hay un 'visible' mejora cuando se aumenta el número de puntos. Incluso con un $\ds{10}$-puntos de TR la imagen es muy similar. Espero no hacer ningún error !!!.

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