#1
|
||||
|
||||
Bernoulli number
กำหนดให้
$$\frac{x}{e^x-1}= 1-\frac{x}{2}+\frac{B_1x^2}{2!}-\frac{B_2x^4}{4!}+\frac{B_3x^6}{6!}-...$$ พิสูจน์ $$ 1^p+2^p+3^p+...+n^p= \frac{n^{p+1}}{p+1}+\frac{n^p}{2}+\frac{B_1pn^{p-1}}{2!}-\frac{B_2p(p-1)(p-2)n^{p-3}}{4!}+...$$ ทำยังไงครับ |
#2
|
||||
|
||||
อ้างอิง:
$$f_n(x):=\sum_{p=0}^\infty\,\frac{S^p_n}{p!}\,x^p=\sum_{p=0}^\infty\,\sum_{k=0}^n\,\frac{k^p}{p!}\,x^p=\sum_{k=1}^n\,\sum_{p=0} ^\infty\,\frac{(kx)^p}{p!}\,.$$ Therefore, $$f_n(x)=\sum_{k=1}^n\,\exp(kx)=\frac{\big(\exp(nx)-1\big)\,\exp(x)}{\exp(x)-1}\,.$$ Consequently, $$f_n(x)=\left(\frac{\exp(nx)-1}{x}\right)\,\left(\frac{x}{\exp(x)-1}\right)\,\exp(x)\,.$$ Now, we have $$\exp(x)=\sum_{k=0}^\infty\,\frac{1}{k!}\,x^k\,,$$ $$\frac{\exp(nx)-1}{x}=\sum_{r=0}^\infty\,\frac{n^{r+1}}{(r+1)!}\,x^r\,,$$ and $$\frac{x}{\exp(x)-1}=-\frac{x}{2}-\sum_{s=0}^\infty\,\frac{(-1)^s}{(2s)!}\,B_{s}\,x^{2s}\,,$$ where $B_0,B_1,B_2,\ldots$ are the Bernoulli numbers (with $B_0:=-1$). Thus, the coefficient of $x^p$ in $f_n(x)$ is given by the sum $$s_n^p:=-\frac{1}{2}\,\sum_{r=0}^{p-1}\,\frac{n^{r+1}}{(r+1)!\,(p-1-r)!}+\sum_{\substack{r,s\geq 0\\ r+2s\leq p}}\,\frac{(-1)^s\,B_{s}\,n^{r+1}}{(r+1)!\,(2s)!\,(p-r-2s)!}\,.$$ That is, $$\begin{align}S_n^p&=p!\,s_n^p\\&=\sum_{\ell=0}^{p+1}\,\frac{p!}{(p-\ell+1)!}\,n^{p+1-\ell}\,\left(-\sum_{s=0}^{\left\lfloor \frac{\ell}{2}\right\rfloor}\,\frac{(-1)^s\,B_s}{(2s)!\,(\ell-2s)!}-\frac{1}{2\,(\ell-1)!}\right)\,.\tag{$\star$}\end{align}$$ We need to verify that $$-\sum_{s=0}^{\left\lfloor \frac{\ell}{2}\right\rfloor}\,(-1)^s\,\binom{\ell}{2s}\,B_s-\frac{\ell}{2}=\begin{cases}0&\text{if }\ell\geq 3\text{ is odd}\,,\\ -(-1)^{\frac{\ell}{2}}\,B_{\frac{\ell}{2}}&\text{if }\ell\geq 2\text{ is even}\,. \end{cases}\tag{*}$$ For convenience, write $$b_s:=\begin{cases} -(-1)^{\frac{s}{2}}B_{\frac{s}{2}}&\text{if }s\geq 0\text{ is even}\,,\\ -\dfrac{1}{2}&\text{if }s=1\,,\\ 0&\text{if }s\geq 3\text{ is odd}\,. \end{cases}$$ That is, $\dfrac{x}{\exp(x)-1}=\sum\limits_{s=0}^\infty\,\dfrac{b_s}{s!}\,x^s$. Hence, (*) is equivalent to $$\sum_{s=0}^\ell\,\binom{\ell}{s}\,b_s=b_\ell\text{ for }\ell=2,3,4,\ldots\,.\tag{#}$$ We shall now prove (#). From $\dfrac{x}{\exp(x)-1}=\sum\limits_{s=0}^\infty\,\dfrac{b_s}{s!}\,x^s$, we get $$x=\big(\exp(x)-1\big)\sum\limits_{s=0}^{\infty}\,\dfrac{b_s}{s!}\,x^s=\left(\sum_{r=1}^{\infty}\,\frac{x^r}{r!}\right)\,\left(\sum\limits_{s=0} ^{\infty}\,\dfrac{b_s}{s!}\,x^s\right)\,.$$ This yields $$x=\sum_{\ell=0}^\infty\,\frac{x^\ell}{\ell!}\,\sum_{s=0}^{\ell-1}\,\binom{\ell}{s}\,b_s\,.$$ This shows that $$\sum_{s=0}^{\ell-1}\,\binom{\ell}{s}\,b_s=0\text{ for }\ell=2,3,4,\ldots\,.$$ This is equivalent to (#). Therefore, using ($\star$), we see that $S_n^0=n$ and for an integer $p\geq 1$, we have $$S_n^p=\frac{n^{p+1}}{p+1}+\frac{n^p}{2}-\sum_{\ell=1}^{\left\lfloor\frac{p}{2}\right\rfloor}\,\frac{(-1)^\ell\,p(p-1)(p-2)\cdots (p-2\ell+2)}{(2\ell)!}\,B_\ell\,n^{p+1-2\ell}\,.$$ Thus, the claim is established. Here are some examples: $$S_n^1=\frac{n^2}{2}+\frac{n}{2}=\frac{n(n+1)}{2}\,,$$ $$S_n^2=\frac{n^3}{3}+\frac{n^2}{2}+\frac{n}{6}=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}\,,$$ $$S_n^3=\frac{n^4}{4}+\frac{n^2}{2}+\frac{n}{4}=\left(\frac{n(n+1)}{2}\right)^2\,,$$ $$S_n^4=\frac{n^5}{5}+\frac{n^4}{2}+\frac{n^3}{3}-\frac{n}{30}=\frac{n(n+1)(2n+1)(3n^2+3n-1)}{30}\,,$$ and $$S_n^5=\frac{n^6}{6}+\frac{n^5}{2}+\frac{5n^4}{12}-\frac{n^2}{12}=\frac{n^2(n+1)^2(2n^2+2n-1)}{12}$$
__________________
Потом доказывай, что ты не верблюд. 28 กรกฎาคม 2020 21:16 : ข้อความนี้ถูกแก้ไขแล้ว 4 ครั้ง, ครั้งล่าสุดโดยคุณ Anton |
#3
|
|||
|
|||
Bernoulli numbers Bn are a sequence of rational numbers which occur frequently in number theory.
The Bernoulli numbers appear in (and can be defined by) the Taylor series expansions of the tangent and hyperbolic tangent functions, in Faulhaber's formula for the sum of m-th powers of the first n positive integers, in the Euler-Maclaurin formula, and in expressions for certain values of the Riemann zeta function. Wiki 20 กุมภาพันธ์ 2021 16:34 : ข้อความนี้ถูกแก้ไขแล้ว 1 ครั้ง, ครั้งล่าสุดโดยคุณ share |
#4
|
|||
|
|||
|
หัวข้อคล้ายคลึงกัน | ||||
หัวข้อ | ผู้ตั้งหัวข้อ | ห้อง | คำตอบ | ข้อความล่าสุด |
Number ที่คิดไม่ออก | tatari/nightmare | ทฤษฎีจำนวน | 20 | 26 กันยายน 2008 21:21 |
complex number | dektep | พีชคณิต | 1 | 17 มีนาคม 2008 22:45 |
เกี่ยวกับ Number | tatari/nightmare | ทฤษฎีจำนวน | 3 | 12 กันยายน 2007 22:12 |
ช่วยคิดหน่อยครับ เกี่ยวกับ Number Theory | kanji | ทฤษฎีจำนวน | 0 | 08 กันยายน 2006 18:22 |
อยากทราบเกี่ยวกับ เรื่อง Euler Polynomails, Bernoulli numbers | วัน | คณิตศาสตร์อุดมศึกษา | 0 | 07 กันยายน 2006 12:29 |
เครื่องมือของหัวข้อ | ค้นหาในหัวข้อนี้ |
|
|