欧拉-马斯切罗尼常数

一、说明

        知道欧拉常数是什么吗?知道啥是调和级数吗?这里给出欧拉常数的来龙去脉,和调和级数以及ln(n)的关系。

欧拉-马斯刻若尼常数: Euler-Mascheroni Constant

二、起源

欧拉-马斯刻若尼常数是一个数学常数,该常数最先由瑞士数学家莱昂哈德·欧拉在1735年发表的文章De Progressionibus harmonicus observationes中定义。目前尚不知道该常数是否为有理数,但是分析表明如果它是一个有理数,那么它的分母位数将超过10^{242080}

欧拉-马斯刻若尼常数定义为调和级数与自然对数的差值:

还记得谐波系列吗?

通常情况下,它是一个人第一次遇到一个系列,其中单个项连续减少,但系列发散到无穷大。下面的引文很好地总结了谐波级数的臭名昭著:

今天,我对我的微积分学生说:“我知道,你们正在看这个系列,你们没有看到我在警告你们什么。你看着它,你会想,'我相信这个系列。我会从这个系列中拿糖果。我会坐上这个系列的车。但我要警告你,这个系列是为了让你。永远记住:谐波级数发散。永远不要忘记它。

事实上。永远不要忘记。谐波级数发散。一路不断地与收敛调情,但缓慢但坚定地走向无限。增长如此缓慢。在你的掌握中,却又脱离了它。冷酷地诱惑着它的追求者。

到目前为止,该系列的分歧已经通过无数不同的证据得到证实,尽管没有比第一个更漂亮的了,它以其简单而著称。但是,在本文中,我们将关注这个问题

是否有任何函数可以为谐波级数的部分和提供体面的近似值?

在这里,通过部分和,我们指的是级数的前 n 项,即 -

事实证明有一个,自然对数函数。随着 n 变大,部分和与 ln(n) 之间的差值接近有限极限。这个极限被称为欧拉-马斯切罗尼常数,γ(伽马)。

常数首次出现于 1734 年,它的名字来源于两位数学家——无处不在的莱昂哈德·欧拉和意大利数学家洛伦佐·马斯切罗尼。采用符号γ很可能是因为常数与伽马函数(阶乘函数的扩展)的联系。尽管已经存在了近300年,但伽马的合理性仍然是一个悬而未决的问题。此外,尚不清楚伽玛是代数的还是先验的。

谐波级数与对数函数有什么关系?这正是本文的内容。这里遵循的过程依赖于几何直觉,并且是级数收敛的成熟测试(积分测试)的原型。

然后

为了更好地理解,本文分为四个部分

  • 证明 T_n(下标中的 n)是有界的。
  • 证明T_n是单调递减的,因此具有确定的极限,即γ存在。
  • 为γ找到一个更严格的下限
  • 为感兴趣的读者提供有关系列收敛的一些其他(严格)细节。

三、T_n是有界的

首先,我们给γ一个下限。 下面是 y = 1/x 的图。在这里,我们利用了众所周知的技巧,即将图下的面积与单位宽度的矩形条进行比较,高度等于该点的函数值。

从上面可以清楚地看出

概括地说,我们得到

在证明了T_n是从下面有界的之后,我们现在继续证明它也是从上面有界的,通过对上述方法的轻微操作。

以前,矩形的面积在曲线下方的面积中占主导地位。反之亦然呢?

我看看。

在这种情况下

再次,概括,我们得到

结合上述两个结果,我们得到

因此,T_n是有界的。

四、T_n单调递减

现在我们证明T_n单调递减,即,

证明 —

回想一下 ln(x) 的泰勒级数展开式 —

现在

Therefore, we can safely use the above Taylor series expansion. Continuing —

现在,观察一下,

这意味着上面总和中的第一个项以及每个项都是负数。从而证明

因此T_n单调递减。

现在,结合这两个事实——

  • T_n是有界的。
  • T_n正在单调递减。

使用单调收敛定理,我们得到T_n确实收敛到一个固定的极限。也就是说,γ存在。

五、为γ提供更严格的下限

综上所述,我们可以自信地说

但是我们能收紧吗?

如果我们用梯形代替矩形会怎样?

鉴于 y = 1/x 的凸性质,梯形覆盖的面积大于曲线。

从上面,我们看到——

再一次,概括一下,我们得到——

现在,由于

因此,我们有——

因此,我们将γ的下限从 0 提高到 1/2。

事实证明,γ,正确到小数点后 5 位的值是 0.57721,离我们的下限不远!

六、关于序列收敛的其他内容

这是一个辅助部分,我们在其中明确地证明了我们已经(隐式)在上述部分中使用的结果。

假设有两个序列——

那么,我们必须——

证明 —

首先,让我们回顾一下序列收敛的含义。

现在,我们通过矛盾来构造一个证明。

上面的最后一行表示,对于 n > N₀,a_n 仅限于 a₀ 的 r 邻域,b_n 仅限于 b₀ 的 r 邻域。

从视觉上说——

以上可以明显看出——

因此,我们得出了一个矛盾。因此,我们的假设(a₀<b₀)是错误的。因此,a₀  b₀。

感谢您的阅读。希望你喜欢这篇文章。

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