[定理01]-1≦r<1で, ∑n=1∞rnn=−log(1−r)r=1では発散する.
[証明][11] 0<r<1のとき, ∑n=1Nrnn=∑n=1Nrn∫01xn−1dx=r∫011−(rx)N1−rxdx ここで,N→0のとき,|∫01(rx)N1−rxdx|≦|∫01xN1−rdx|≦1N+111−r→0したがって,∑n=1Nrnn=→r∫0111−rxdx.r∫0111−rxdx=∫0111r−xdx=−log(1−r).□□[12]-1<r<0のとき,0<r2<1から,∑n=12Nrnn+∑n=12N(−r)nn=2∑n=1Nr2n2n=∑n=1Nr2nn∑n=12Nrnn=−∑n=12N(−r)nn+∑n=1Nr2nn.∑n=12Nrnn=→log(1+r)−log(1−r2)=−log(1−r).□□[13]r=−1のとき, ∑n=1N(−1)nn=∑n=1N(−1)n∫01xn−1dx=−∫011−(−x)N1+xdx ここで,N→0のとき,|∫01(−x)N1+xdx|≦|∫01xNdx|≦1N+1→0したがって,.∑n=1N(−1)nn=→−∫0111+xdx=−log2.□□以上から,定理01は成り立つ.□□
[定理02]D>0,-1≦r<1で ∑n=0∞rn1+Dn=∫0111−rxDdxr=1では発散する.とくに, ∑n=0∞(−1)n1+Dn=∫0111+xDdx
[21] 0<r<1のとき, ∑n=0N−1rn1+Dn=∑n=0N−1rn∫01xDndx=∫011−(rxD)N1−rxDdx ここで,N→0のとき,|∫01(rxD)N1−rxDdx|≦|∫01xDN1−rdx|≦1DN+111−r→0したがって,.∑n=0N−1rn1+Dn=→∫0111−rxDdx.□□[22]-1<r<0のとき,0<r2<1から,∑n=02N−1rn1+Dn=∑n=0N−1r2n1+(2n)D+∑n=0N−1r2n+11+(2n+1)D.∑n=0N−1r2n1+(2n)D→∫0111−r2x2Ddx.□□∑n=0N−1r2n+11+(2n+1)D=r1+D∑n=0N−1r2n1+n(2DD+1).→r1+D∫0111−r2x2D1+Ddx..=r1+D(1+D)∫01yD1−r2y2Ddy=∫01rxD1−r2x2Ddx..∑n=02N−1rn1+Dn→∫0111−r2x2Ddx+∫01rxD1−r2x2Ddx..=∫0111−rxDdx.
[23]r=−1のとき,∑n=02N−1(−1)n1+Dn=∑n=0N−111+(2n)D−∑n=0N−111+(2n+1)D=∫01∑n=0N−1(x2nD−x(2n+1)D)dx=∫01(1−xD)1−(x2D)N1−x2Ddx=∫0111+xDdx−∫01x2DN1+xDdx
ここで,N→0のとき,|∫01x2DN1+xDdx|≦|∫01x2DNdx|≦12DN+1→0したがって,.∑n=0N−1(−1)n1+Dn=∫0111+xDdx.□□以上から,定理02は成り立つ.□□
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