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z変換:メルカトル級数の値を求める

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$$\newcommand{BEQ}[0]{\begin{eqnarray}} \newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{CM}[2]{{}_{#1}C_{#2}} \newcommand{div}[0]{\mathrm{div}} \newcommand{division}[0]{÷} \newcommand{EEQ}[0]{\end{eqnarray}} \newcommand{grad}[0]{\mathrm{grad}\ } \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{rot}[0]{\mathrm{rot}\ } \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} \newcommand{ZT}[0]{\mathcal{Z}} $$

目的

$z$変換を用いてメルカトル級数の値を求める

$z$変換による解法

メルカトル級数

$$ \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{n}=log(2) $$

$z$変換を用いる方法

$$ f(n)=\frac{(-1)^{n-1}}{n} u(n-1) \;\;(u(n):単位階関数) $$$z$変換する。$z$変換の定義から
$$ \BEQ F(z)&=&\ZT[\frac{(-1)^{n-1}}{n} u(n-1)] \\&=&\sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{n}z^{-n}u(n-1) \\&=&\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{n}z^{-n} && \because k\lt0でu(k)=0,k\ge0でu(k)=1 \EEQ $$$F(z)$の収束領域を交代級数の収束判定法を用いて確認する。$$ \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{n}z^{-n} =-\sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{n}z^{-n} $$交代級数の収束条件から$$ \BEQ \lim_{n \to \infty} \frac{z^{-n}}{n} =\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} \left(\frac{1}{z}\right)^n= 0 \EEQ $$このとき$z$$\frac{1}{|z|} \le 1 $を満たせば条件を満たす。よって$F(z)$の収束領域は$|z| \ge 1$
$F(z)$を収束領域側から近づけて極限をとった$lim_{z \to 1^{+}}F(z)$がメルカトル級数の値になる。
まず、$F(z)$$z$変換にあたり$z$変換の積分則を使う。$z$変換の積分則は$$ G(z)=\ZT[\frac{h(n)}{n}]=-\int_{\infty}^{z} τ^{-1} H(τ)dτ+lim_{n\to 0} h(n) $$ただし、$H(z)=\ZT[h(n)]\;,\;lim_{n\to 0} h(n)=0$
ここで$h(n)=\frac{1}{n} u(n-1)$とおくと$lim_{n\to 0}\frac{1}{n} u(n-1)=0$となり積分則の条件を満たすので
$$ \BEQ G(z)&=&\ZT[\frac{1}{n} u(n-1)] \\&=&-\int_{\infty}^{z} τ^{-1} \ZT[u(n-1)]dτ && \because 積分則 \\&=&-\int_{\infty}^{z} τ^{-1} τ^{-1}\ZT[u(n)]dτ && \because z変換のシフト則 \\&=&-\int_{\infty}^{z} τ^{-2} \frac{τ}{τ-1}dτ && \because 単位階段関数のz変換 \\&=&-\int_{\infty}^{z} \frac{1}{τ(τ-1)}dτ \\&=&-\int_{\infty}^{z} \frac{1}{τ-1}-\frac{1}{τ}dτ && \because 部分分数分解 \\&=&-\left[log(τ-1)-log(τ)\right]_{\infty}^{z} \\&=&-\left[log(1-τ^{-1})\right]_{\infty}^{z} \\&=&-[log(1-z^{-1})-log(1)] \\&=&-log(1-z^{-1}) \EEQ $$よって
$$ \BEQ F(z)&=&\ZT[f(n)] \\&=&\ZT[(-1)^{n-1}\frac{1}{n} u(n-1)] \\&=&-\ZT[(-1)^n \frac{1}{n} u(n-1)] \\&=&-G(\frac{z}{-1}) && \because z変換のスケーリング則 \\&=&-G(-z) \\&=&-(-log(1-(-z)^{-1})) \\&=& log(1+z^{-1}) \EEQ $$ゆえに$$ lim_{z \to 1^{+}}F(z)=lim_{z \to 1^{+}}log(1+z^{-1})=log(2) $$となりメルカトル級数の値が求められた。

投稿日:20201116

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zeta
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