Τύπος για τη σταθερά του Catalan

Συντονιστές: grigkost, Κοτρώνης Αναστάσιος

Άβαταρ μέλους
Πεδγια
Δημοσιεύσεις: 28
Εγγραφή: Σάβ Νοέμ 06, 2021 5:48 pm
Επικοινωνία:

Τύπος για τη σταθερά του Catalan

#1

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από Πεδγια »

Καλημέρα! Καλή Χρονιά!
Μπορεί κάποιος να αποδείξει αυτόν τον τύπο:

\displaystyle{G=\ln\left(\frac{8}{e}\right)-\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{32n^2-1}{n\left(16n^2-1\right)^2}}

όπου G είναι η σταθερά του Catalan.
Αριθμητικός υπολογισμός: SageMathCell

Ετικέτες:
Άβαταρ μέλους
Tolaso J Kos
Δημοσιεύσεις: 5573
Εγγραφή: Κυρ Αύγ 05, 2012 10:09 pm
Τοποθεσία: International
Επικοινωνία:

Re: Τύπος για τη σταθερά του Catalan

#2

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από Tolaso J Kos »

Λήμμα 1: Η συνάρτηση διγάμμα ορίζεται ως \displaystyle{\psi^{(0)} \left ( 1 +z \right ) = - \gamma + \sum_{n=1}^{\infty} \left ( \frac{1}{n} - \frac{1}{z+n} \right )}.

Λήμμα 2: Ισχύει ότι \displaystyle{\psi^{(0)}(z+1) = \frac{1}{z} + \psi^{(0)}(z)}.

Λήμμα 3: Ισχύει \displaystyle{\psi^{(0)} \left ( 1 -z  \right ) - \psi^{(0)} \left ( z \right ) = \pi \cot \pi z}.

Λήμμα 4: Ισχύει ότι \displaystyle{\psi^{(0)} \left( \frac{1}{4} \right) = - \frac{\pi}{2} - 3 \ln 2 - \gamma}.

Λήμμα 5: Η συνάρτηση τριγάμμα ορίζεται ως \displaystyle{\psi^{(1)}(z) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{\left ( z+n \right )^2}}.

Λήμμα 6: Ισχύει ότι \displaystyle{\psi^{(1)}(1+z) = \psi^{(1)}(z) - \frac{1}{z^2}}.

Λήμμα 7: Ισχύει ότι \displaystyle{\psi^{(1)}(1-z) + \psi^{(1)}(z) = \frac{\pi^2}{\sin^2 \pi z}}.

Λήμμα 8: Ισχύει ότι \displaystyle{\psi^{(1)}\left( \frac{1}{4} \right) = \pi^2 + 8 \mathcal{G}}.

Ξεκινάμε με την απλή παρατήρηση ότι

\displaystyle{\frac{32n^2-1}{n \left ( 16n^2 - 1 \right )^2} = \frac{2}{4n-1} + \frac{2}{4n+1} + \frac{1}{\left ( 4n-1 \right )^2} - \frac{1}{\left ( 4n+1 \right )^2}- \frac{1}{n}}
Τότε,

\displaystyle{\begin{aligned} 
 \sum_{n=1}^{\infty} \left ( \frac{2}{4n-1} + \frac{2}{4n+1} - \frac{1}{n} \right ) &= \sum_{n=1}^{\infty} \left ( \frac{1}{2n-\frac{1}{2}} + \frac{1}{2n+\frac{1}{2}} - \frac{1}{n}  \right ) \\ 
 &= \sum_{n=1}^{\infty} \left ( \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{n-\frac{1}{4}} + \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{n + \frac{1}{4}} - \frac{1}{n} \right )  \\ 
 &=\sum_{n=1}^{\infty} \left ( -\frac{1}{2n} + \frac{1}{2 \left ( n - \frac{1}{4} \right )}  -\frac{1}{2n} + \frac{1}{2 \left ( n + \frac{1}{4} \right )} \right ) \\ 
 &=-\frac{1}{2} \sum_{n=1}^{\infty} \left ( \frac{1}{n} - \frac{1}{n - \frac{1}{4}} \right ) - \frac{1}{2} \sum_{n=1}^{\infty} \left ( \frac{1}{n} - \frac{1}{n+ \frac{1}{4}} \right ) \\ 
 &= -\frac{1}{2} \cdot \left ( \psi^{(0)} \left ( 1 - \frac{1}{4} \right ) + \gamma \right ) - \frac{1}{2} \cdot \left ( \psi^{(0)} \left ( 1 + \frac{1}{4} \right ) + \gamma \right ) \\ 
 &= -\frac{1}{2} \psi^{(0)} \left ( \frac{3}{4} \right ) - \frac{1}{2} \psi^{(0)} \left ( \frac{5}{4} \right ) - \gamma \\ 
 &= -\frac{1}{2} \psi^{(0)} \left ( \frac{3}{4} \right ) - \frac{1}{2} \left ( 4 + \psi^{(0)} \left ( \frac{1}{4} \right ) \right ) - \gamma  \\ 
 &= -\frac{1}{2} \psi^{(0)} \left ( \frac{3}{4} \right ) - 2 - \frac{1}{2} \psi^{(0)}\left ( \frac{1}{4} \right ) - \gamma \\ 
 & = -\frac{1}{2} \left ( \psi^{(0)} \left ( \frac{3}{4}  \right ) - \psi^{(0)} \left ( \frac{1}{4} \right ) \right ) - \psi^{(0)} \left ( \frac{1}{4} \right ) - 2 - \gamma \\ 
 &= -\frac{\pi \cot \frac{\pi}{4}}{2} - \psi^{(0)} \left ( \frac{1}{4} \right ) - 2 - \gamma \\ 
 &= -\frac{\pi}{2} - 2 - \gamma - \psi^{(0)} \left ( \frac{1}{4} \right ) \\ 
 &=-\frac{\pi}{2}- 2 - \gamma - \left ( - \frac{\pi}{2} - 3 \ln 2 - \gamma \right ) \\ 
 &= 3 \ln 2 - 2  
\end{aligned}}
Τέλος,

\displaystyle{\begin{aligned} 
\sum_{n=1}^{\infty} \left ( \frac{1}{(4n-1)^2}  - \frac{1}{\left ( 4n+1 \right )^2} \right ) &= \frac{1}{16} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{\left ( n - \frac{1}{4} \right )^2} - \frac{1}{16} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{\left ( n + \frac{1}{4} \right )^2}  \\  
 &=\frac{1}{16} \left ( \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{\left ( n - \frac{1}{4} \right )^2} + 16 - 16 \right ) - \frac{1}{16} \left ( \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{\left ( n + \frac{1}{4} \right )^2} + 16 - 16 \right )  \\  
 &= \frac{1}{16}\sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{\left ( n - \frac{1}{4} \right )^2}- 1 - \frac{1}{16} \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{\left ( n + \frac{1}{4} \right )^2} + 1  \\  
 &=\frac{1}{16} \left (\psi^{(1)} \left ( -\frac{1}{4} \right ) - \psi^{(1)} \left ( \frac{1}{4} \right ) \right ) \\  
 &= \frac{1}{16}\left ( 2 \pi^2 - \psi^{(1)} \left ( \frac{5}{4} \right ) - \psi^{(1)} \left ( \frac{1}{4} \right ) \right ) \\ 
 &=\frac{1}{16} \left ( 2 \pi^2 - 2\psi^{(1)} \left ( \frac{1}{4} \right )  + 16  \right ) \\ 
 &= \frac{1}{16} \left ( 2 \pi^2 - 2 \left ( \pi^2 +  8 \mathcal{G} \right ) + 16  \right ) \\ 
 &= 1 - \mathcal{G} 
\end{aligned}}
Μαζεύοντας τα όλα παίρνουμε το αποτέλεσμα.
Η φαντασία είναι σημαντικότερη από τη γνώση !
\displaystyle{{\color{blue}\mathbf{Life=\int_{birth}^{death}\frac{happiness}{time}\Delta time} }}
Άβαταρ μέλους
Πεδγια
Δημοσιεύσεις: 28
Εγγραφή: Σάβ Νοέμ 06, 2021 5:48 pm
Επικοινωνία:

Re: Τύπος για τη σταθερά του Catalan

#3

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από Πεδγια »

@Tolaso Ευχαριστώ!
Απάντηση

Επιστροφή στο “ΑΝΑΛΥΣΗ”

Μέλη σε σύνδεση

Μέλη σε αυτήν τη Δ. Συζήτηση: Δεν υπάρχουν εγγεγραμμένα μέλη και 2 επισκέπτες