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簡単な無限級数の積分表示

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はじめに

2回目の投稿となりました(^ ^)
早速ですが今回の問題です.
ぜひ証明にチャレンジしてみてください!

本題

次の無限級数を積分表示せよ.a1,b>0
n=0(1)nan+b

前回に比べれば良さげな内容かもしれませんね!
証明もだいぶ面白い感じになっている(はずな)ので楽しんで頂けると幸いです!

本題

まずは次の式を示しましょう!

limn01xa+b1(xa)nxa+1dx=0

なぜこんなものを?という感じですが...とりあえず示しましょう.

01xa+b1(xa)nxa+1dx=(1)n01xa+b1(xa)nxa+1dx
a+b1は条件より,必ず正である.よって,積分区間で0xa+b11全てにx=0を代入して左辺,単調増加より右辺ができる.
0<01xa+b1(xa)nxa+1dx<01(xa)nxa+1dx
01(xa)nxa+1dx<01xandx=1an+1

nすると,はさみうちの原理より補題1を得る.

n=0(1)nan+b=01xb1xa+1dx(a1,b>0)

n=0(1)nan+b=limnk=0n(1)kak+b
とする.
k=0n(1)kak+b=1b1a+b+12a+b13a+b++(1)n1an+b
等式(m1)
1m+1=01xmdx
より,
k=0n(1)kak+b=01xb1xa+b1+x2a+b1x3a+b1++(1)nxan+b1dx=01k=0nxb1(xa)kdx
右辺の被積分関数は初項がxb1公比がxaの等比数列の初項から第n項までの和である.
01k=0nxb1(xa)kdx=01xb1+xa+b1(xa)nxa+1dx=01xb1xa+1dx+01xa+b1(xa)nxa+1dx
補題1より,nすると,
k=0(1)nan+b=01xb1xa+1dx
が成り立つ.

いかがでしたか?
だいぶ簡単めな記事で刺激が足りない方のために一応問題を!

宿題(???)

次の無限級数の和を求めよ.
n=1(1)nn13n(2n+1)

頑張って解いてみてください!

(部分分数分解とk=1からの無限和でb=0のときの証明もできるはずです!)

投稿日:23日前
更新日:14日前
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投稿者

数学の作問好きな高校生です。 主に大学の解析学を学んでいます。 投稿するのは主に思いついた等式や、何かしら作問の背景になりそうなものです。 拙い文章ですが読んでいただけると幸いです。

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