(эта запись может быть интересна математикам и сочувствующим)
Меня заинтересовало недавнее
видео Майкла Пенна, в котором он показывает, чему равен предел сумм
1/2
1/3+1/4
1/4+1/5+1/6
1/5+1/6+1/7+1/8
В общем случае сумма выглядит: 1/(k+1) + 1/(k+2)+... + 1/2k. И вот когда k стремится к бесконечности, эти суммы стремятся к пределу. К какому? ln(2), натуральному логарифму из 2.
Чего?
В общем, Пенн (это ютубер, американский преподаватель математики в колледже, выкладывает огромное количество отличных видео как и 1-2 курса математики, так и просто решения всяких олимипиадных задач, сложных интегралов итп.) доказывает, чему равен этот предел, с помощью трюка. Это красивый трюк, но я не знаю, как его найти, если не знать о нем.
Трюк состоит в том, чтобы представить эти суммы как интегральные суммы Римана. Если у нас есть интеграл какой-то функции на f на [a,b], и мы разбиваем этот отрезок на k равных частей, то сумма будет выглядеть как ∑f(x_k)*1/k, и в пределе стремится к значению интеграла. Правда, в суммах, представленных выше, нет никакого 1/k, но почему бы не добавить его силой? Например, вместо 1/4+1/5+1/6 мы пишем
3/4* 1/3 + 3/5* 1/3 + 3/6*1/3 = 1/(1+1/3) * 1/3 + 1/(1+2/3) * 1/3 + 1/(1+3/3) * 1/3
и тогда видно, что точки x_k это равномерно взятые на расстоянии 1/k точки между 1 и 2, а функция f это просто f(x) = 1/x. Поскольку антипроизводная от 1/x это ln(x), выходит, что предел сумм равен ln(2)-ln(1) = ln(2)-0 = ln(2), вот и все.
У меня однако есть психологическая проблема с такими трюками. Когда я вижу такое решение, оно мне не нравится и мешает; мне всегда хочется найти "нарративный" путь к ответу, т.е. такой, который по моему пониманию мог бы теоретически прийти в голову человеку, который просто вот пытается решить задачу и использует известные ему сведения. Наверное, есть математики, которые, даже не зная о таком трюке, видят его мгновенно как что-то естественное, но я не такой. Кроме того, мне стало интересно, можно ли решить эту задачу, не используя вообще знания об интеграле и его свойствах, об антипроизводной 1/x итд.
ЗНАКОПЕРЕМЕННЫЙ РЯД
Первое, что можно сделать с этими суммами - разобраться, как представить их предел в виде суммы ряда.
( Read more... )