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7.2.4 某些特殊级数 ​

7.2.4.1 一些重要数项级数的值 ​

(7.39)1+11!+12!+13!+⋯+1n!+⋯=e(7.40)1−11!+12!−13!+⋯+(−1)nn!+⋯=1e,(7.41)1−12+13−14+⋯+(−1)n+1n+⋯=ln⁡2,(7.42)1+12+14+18+⋯+12n+⋯=2(7.43)1−12+14−18+⋯+(−1)n2n+⋯=23,(7.44)1−13+15−17+19−⋯+(−1)n−12n−1+⋯=π4,(7.45)11⋅2+12⋅3+13⋅4+⋯+1n(n+1)+⋯=1,(7.46)11⋅3+13⋅5+15⋅7+⋯+1(2n−1)(2n+1)+⋯=12,(7.47)11⋅3+12⋅4+13⋅5+⋯+1(n−1)(n+1)+⋯=34,(7.48)13⋅5+17⋅9+111⋅13+⋯+1(4n−1)(4n+1)+⋯=12−π8,(7.49)11⋅2⋅3+12⋅3⋅4+⋯+1n(n+1)(n+2)+⋯=14,11⋅2⋅⋯⋅l+12⋅3⋅⋯⋅(l+1)+⋯+1n⋅⋯⋅(n+l−1)+⋯=1(l−1)(l−1)!,

(7.50)

(7.51)1+122+132+142+⋯+1n2+⋯=π26,(7.52)1−122+132−142+⋯+(−1)n+1n2+⋯=π212,(7.53)112+132+152+⋯+1(2n+1)2+⋯=π28,(7.54)1+124+134+144+⋯+1n4+⋯=π490,(7.55)1−124+134−⋯+(−1)n+1n4+⋯=7π4720,(7.56)114+134+154+⋯+1(2n+1)4+⋯=π496,(7.57)1+122k+132k+142k+⋯+1n2k+⋯=π2k22k−1(2k)!Bk(1),(7.58)1−122k+132k−142k+⋯+(−1)n+1n2k+⋯=π2k(22k−1−1)(2k)!Bk,(7.59)1+132k+152k+172k+⋯+1(2n−1)2k+⋯=π2k(22k−1)2⋅(2k)!Bk,(7.60)1−132k+1+152k+1−172k+1+⋯+(−1)n+1(2n−1)2k+1+⋯=π2k+122k+2(2k)!Ek(2).

① Bk 是伯努利数.

② Ek 是欧拉数.


7.2.4.2 伯努利数和欧拉数 ​

(1) 伯努利数的第一定义 某些特殊函数的幂级数展开式中会出现伯努利数 Bk ,如三角函数 tan⁡x,cot⁡x,csc⁡x ,以及双曲函数 tanh⁡x,coth⁡x,cos⁡echx . 伯努利数 Bk 可定义如下:

(7.61)xex−1=1−x2+B1x22!−B2x44!±⋯+(−1)n+1Bnx2n(2n)!±⋯(|x|<2π)

利用系数对比法将其与 x 的方幂作比较,可计算伯努利数. 用此方法计算的前几个伯努利数见表 7.1.

k

Bk

k

Bk

k

Bk

k

Bk

1

16

4

7

76

10

174611330

2

130

5

130566691773

8

3617

11

854513 138

3

142

6

9

43867 798

(2) 伯努利数的第二定义 有些人把伯努利数定义如下:

(7.62)xex−1=1+B1―x1!+B2―x22!+⋯+B2n―x2n(2n)!+⋯(|x|<2π).

由此得到递归公式

(7.63)Bk+1―=(B¯+1)k+1(k=1,2,3,⋯),

利用二项式定理 (参见第 14 页 1.1.6.4,1.),用 Bv― 代替 B¯v ,即指数变为下标. 前几个新数为

B1―=−12,B2―=16,B4―=−130,B6―=142,(7.64)B8―=−130,B10―=566,B12―=−6912730,B14―=76,B16―=−3617510,⋯,B3―=B5―=B7―=⋯=0,

且有

(7.65)Bk=(−1)k+1B2k―(k=1,2,3,⋯).

(3) 欧拉数的第一定义 某些特殊函数的幂级数展开式中会出现欧拉数 Ek ,如函数 sec⁡x 和 sechx . 欧拉数可定义如下:

(7.66)sec⁡x=1+E1x22!+E2x44!+⋯+Enx2n(2n)!+⋯(|x|<π2).

利用系数对比法将其与 x 的方幂作比较,可计算欧拉数. 表 7.2 列出了一些欧拉数的值.

(4) 欧拉数的第二定义 与 (7.63) 类似, 欧拉数也可用递归公式来定义:

(7.67)(E¯+1)k+(E¯−1)k=0(k=1,2,3,⋯).

利用二项式定理,用 Ev― 代替 E¯v ,可得到前几个欧拉数的值:

E2―=−1,E4―=5,E6―=−61,E8―=1385,(7.68)E10―=−50521,E12―=2702765,E14―=−199360981,E16―=19391512145,⋯,E1―=E3―=E5―=⋯=0,

且有

(7.69)Ek=(−1)kE2k―(k=1,2,3,⋯).

k

Ek

k

Ek

1

1

5

50521

2

5

6

2702765

3

61

7

199360981

4

1385

(5) 欧拉数与伯努利数间的关系 欧拉数与伯努利之间的关系为

(7.70)E2k―=42k+12k+1(Bk―−14)2k+1(k=1,2,⋯).

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