解決済み

やっぱ線形写像でしょ(自作)の問題です。

問)次の無限級数の収束、発散について調べ、収束する場合はその和を求めよ。

∑n=0∞(13n+1−13n+2)=(1−12)+(14−15)⋅⋅⋅\sum_{n=0}^\infty \left(\dfrac{1}{3n+1}-\dfrac{1}{3n+2}\right)=\left(1-\dfrac{1}{2}\right)+\left(\dfrac{1}{4}-\dfrac{1}{5}\right)\cdot \cdot \cdot

ベストアンサー

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はじめ積分と無限級数の入れ替えをつかう方法で解いたんですが、それを使うのは良くないと思ったので違う解き方にしてみました。あまりいい解き方ではなさそうですが、、、


収束の証明

13n+1−13n+2>0より、単調増加\frac{1}{3n+1}-\frac{1}{3n+2}>0より、単調増加

∑n=0∞(13n+1−13n+2)<∑n=0∞(13n+1−13n+4)=1−14+14−…=1\sum_{n=0}^{\infty} (\frac{1}{3n+1}-\frac{1}{3n+2}) < \sum_{n=0}^{\infty} (\frac{1}{3n+1}-\frac{1}{3n+4})=1-\frac{1}{4}+\frac{1}{4}-…=1

よって上に有界であるため、この無限級数は収束する。

S=∑n=0∞(13n+1−13n+2)S=\sum_{n=0}^{\infty} (\frac{1}{3n+1}-\frac{1}{3n+2})

T=∑n=0∞(−13n+1−13n+2+23n+3)T=\sum_{n=0}^{\infty} (-\frac{1}{3n+1}-\frac{1}{3n+2}+\frac{2}{3n+3})

とすると、ωを11の原始三乗根として、

∑n=1∞ωnn=T2+3S2i\sum_{n=1}^{\infty} \frac{ω^n}{n}=\frac{T}{2}+\frac{\sqrt{3}S}{2}i

が成り立つ。


右辺について

∑n=1∞xnn=−log⁡(1−x)を使うと、\sum_{n=1}^{\infty}\frac{x^n}{n}=-\log(1-x)を使うと、

∑n=1∞ωnn=−log⁡(1−ω)=−12log⁡3+π6i\sum_{n=1}^{\infty} \frac{ω^n}{n}=-\log(1-ω)=-\frac{1}{2}\log3+\frac{π}{6}i


TTについて

T=∑n=0∞(−13n+1−13n+2+23n+3)T=\sum_{n=0}^{\infty} (-\frac{1}{3n+1}-\frac{1}{3n+2}+\frac{2}{3n+3})

=∑n=0∞(−13n+1−13n+2−13n+3+1n+1)=\sum_{n=0}^{\infty} (-\frac{1}{3n+1}-\frac{1}{3n+2}-\frac{1}{3n+3}+\frac{1}{n+1})

=lim⁡n→∞∑k=12n−1n+k=\lim_{n\rightarrow \infty}\sum_{k=1}^{2n}-\frac{1}{n+k}

区分求積法により、T=log⁡3T=\log3


これらを代入して、

−12log⁡3+π6i=−12log⁡3+3S2i-\frac{1}{2}\log3+\frac{π}{6}i=-\frac{1}{2}\log3+\frac{\sqrt{3}S}{2}i

S=π33S=\frac{π}{3\sqrt3}

返信(3件)

ありがとうございます。

そのような解き方もあるのですね。とても参考になりました。

僕としては、積分を使う求め方を使っていたので、、

ぜひ、積分のほうも書いていただけますか?

補足

「積分のほうも書く」僕からのお願いは、

ご事情などで不可でしたら大丈夫です。

他の回答者様が書いているものとほぼ同じですが、


∑n=0∞(13n+1−13n+2)\sum_{n=0}^{\infty} (\frac{1}{3n+1}-\frac{1}{3n+2})

=∑n=0∞∫01(x3n−x3n+1)dx=\sum_{n=0}^{\infty} \int_{0}^{1}(x^{3n}-x^{3n+1})dx

=∫01∑n=0∞(x3n−x3n+1)dx=\int_{0}^{1}\sum_{n=0}^{\infty} (x^{3n}-x^{3n+1})dx

=∫01(1−x)∑n=0∞x3ndx=\int_{0}^{1}(1-x)\sum_{n=0}^{\infty}x^{3n}dx

=∫011−x1−x3dx=\int_{0}^{1}\frac{1-x}{1-x^3}dx

=∫01dx1+x+x2=\int_{0}^{1}\frac{dx}{1+x+x^2}

あとは積分するだけですかね

わざわざありがとうございます。個人的には微積が好きなので、こちら(上の方法)を解説にしていました。

解いてくださりありがとうございます

そのほかの回答(2件)

この回答は削除されました。

これなんか収束しそうな気がしたので、

∑n=0∞(1(3n+1)(3n+2))<∑n=1∞(1n2)=π26 (ウルトラ適当です)\sum_{n=0}^{∞} \left( \dfrac{1}{(3n+1)(3n+2)} \right)<\sum_{n=1}^{∞} \left( \dfrac{1}{n^2} \right)=\dfrac{{\pi}^2}{6} (ウルトラ適当です)

バーゼル問題を引用しただけです…とにかく上に有界なので和を出せるなとはい思いました。


個人的に結構意味わかんない求め方になりますが、積分などを使います。

(もしかすると知ってたりするかも?)

結論から言うと、答えは

π33\dfrac{\pi}{3\sqrt{3}}

ではないでしょうか。これ結構面白い問題ですね


結果的に用いた積分のやつを記述します。


∫−101x2−x+1 これからはこのいきさつを説明します\int_{-1}^{0} \dfrac{1}{x^2-x+1} これからはこのいきさつを説明します


思いついた法則みたいなのがあって、(m≧0,n>0 m,n:整数)(m≧0 ,n>0 m,n:整数)

xm1+xn=xm−xm+n+xm+2n−xm+3n+…=xm∑i=0∞(−1)i(xn)i\dfrac{x^m}{1+x^n}=x^{m}-x^{m+n}+x^{m+2n}-x^{m+3n}+…=x^m \sum_{i=0}^{∞} (-1)^{i} (x^{n})^i

これは商の計算をしていたら出てきましたが、証明はしなくてもわかると思います(帰納的に(笑))

これを利用して、

11+x3 x1+x3 の式を考えました。\dfrac{1}{1+x^3} \dfrac{x}{1+x^3} の式を考えました。

分母は3の余剰項で、分子は2つをずらすために上の結果となります。


11+x3=1−x3+x6−x9…\dfrac{1}{1+x^3}=1-x^3+x^6-x^9…

x1+x3=x−x4+x7−x10…\dfrac{x}{1+x^3}=x-x^4+x^7-x^{10}…

自分はこれを積分することに狙いを置きました。

∫−1011+x3=[x−14x4+17x7−110x10…]−10\int _{-1}^{0} {\dfrac{1}{1+x^3}}=\left[x-\dfrac{1}{4}x^4+\dfrac{1}{7}x^7-\dfrac{1}{10}x^{10}…\right]_{-1}^{0}

∫−10x1+x3=[12x2−15x5+18x8−111x11…]−10\int _{-1}^{0}{\dfrac{x}{1+x^3}}=\left[\dfrac{1}{2}x^2-\dfrac{1}{5}x^5+\dfrac{1}{8}x^{8}-\dfrac{1}{11}x^{11}…\right]_{-1}^{0}

しかし、このままでは単一積分をしたときに−∞-∞に発散する項が現れてくるので、先に足し合わせて、



∫−101x2−x+1=[x+12x2−14x4−15x5+17x7+18x8−110x10…]−10\int_{-1}^{0} \dfrac{1}{x^2-x+1}=\left[ x+\dfrac{1}{2}x^2-\dfrac{1}{4}x^4-\dfrac{1}{5}x^5+\dfrac{1}{7}x^7+\dfrac{1}{8}x^{8}-\dfrac{1}{10}x^{10}…\right]_{-1}^{0}

ようやく形が見えます


∫−101x2−x+1=1−12+14−15+17−18+110−111=(与式)\int_{-1}^{0} \dfrac{1}{x^2-x+1}= 1-\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{4}-\dfrac{1}{5}+\dfrac{1}{7}-\dfrac{1}{8}+\dfrac{1}{10}-\dfrac{1}{11}=(与式)


このやり方をもし知ってたら、しつこいのを謝っておきます🙇(遅)


これでやっと積分ができます


∫−101x2−x+1=∫−101(x−12)2+34\int_{-1}^{0} \dfrac{1}{x^2-x+1}=\int_{-1}^{0} \dfrac{1}{(x-\frac{1}{2})^2+\frac{3}{4}}

あれなら飛ばしても構いません


23(x−12)=tan⁡u として dudx=321cos⁡2u\frac{2}{\sqrt{3}}(x-\frac{1}{2})=\tan u として \dfrac{du}{dx}=\frac{\sqrt{3}}{2} \dfrac{1}{\cos^2 u}


∫−101x2−x+1=∫−π3−π623du=π33\int_{-1}^{0} \dfrac{1}{x^2-x+1}=\int_{-\frac{\pi}{3}}^{-\frac{\pi}{6}} \frac{2}{\sqrt{3}} du=\frac{\pi}{3\sqrt{3}}


これで求まりました。多分あってると思います


今回の一件で無限級数の和の一般式が立ちそうです。

返信(3件)

あらら、先客がいらっしゃいましたか

先客に関しては仕方ないですね。

個人的には微積のほうが好きなので、二人の回答の積分を用いた解答はよかったです。ありがとうございます。

補足

解いてくださってありがとうございました!!

僕が友達に出して初めて相手が解けなかった問題です

どういたしましてー!

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