用 微 / 积分思想妙解关于等比数列的和

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同理,也是微积分思想:
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  1. 求 (\sum_{k=1}^n q^k) 的和
    我们知道几何级数的求和公式:
    ∑ k = 0 n q k = 1 − q n + 1 1 − q (对于  q ≠ 1 ) \sum_{k=0}^n q^k = \frac{1-q^{n+1}}{1-q} \quad \text{(对于 } q \neq 1\text{)} k=0nqk=1q1qn+1(对于 q=1)
    那么,(\sum_{k=1}^n q^k) 就是:
    ∑ k = 1 n q k = q − q n + 1 1 − q \sum_{k=1}^n q^k = \frac{q - q^{n+1}}{1-q} k=1nqk=1qqqn+1

  2. 求导数
    现在考虑函数 (S(q) = \sum_{k=1}^n q^k),即:
    S ( q ) = q − q n + 1 1 − q S(q) = \frac{q - q^{n+1}}{1-q} S(q)=1qqqn+1
    为了求 (\sum_{k=1}^n k q^{k-1}) 的和,我们可以对 (S(q)) 进行求导。

  3. 对 (S(q)) 进行变换
    考虑函数 (T(q) = \sum_{k=1}^n k q^{k-1}),这是 (\sum_{k=1}^n q^k) 对 (q) 的导数:
    T ( q ) = d d q ( ∑ k = 1 n q k ) = d d q ( q − q n + 1 1 − q ) T(q) = \frac{d}{dq} \left( \sum_{k=1}^n q^k \right) = \frac{d}{dq} \left( \frac{q - q^{n+1}}{1-q} \right) T(q)=dqd(k=1nqk)=dqd(1qqqn+1)

  4. 对 (S(q)) 求导
    d d q ( q − q n + 1 1 − q ) \frac{d}{dq} \left( \frac{q - q^{n+1}}{1-q} \right) dqd(1qqqn+1)
    使用商的导数法则,设 (u = q - q^{n+1}) 和 (v = 1-q),那么:
    T ( q ) = ( u ′ v − u v ′ ) v 2 T(q) = \frac{(u'v - uv')}{v^2} T(q)=v2(uvuv)
    计算各部分的导数:
    u ′ = 1 − ( n + 1 ) q n u' = 1 - (n+1)q^n u=1(n+1)qn
    v ′ = − 1 v' = -1 v=1
    代入商的导数法则:
    T ( q ) = ( 1 − ( n + 1 ) q n ) ( 1 − q ) − ( q − q n + 1 ) ( − 1 ) ( 1 − q ) 2 T(q) = \frac{(1 - (n+1)q^n)(1-q) - (q - q^{n+1})(-1)}{(1-q)^2} T(q)=(1q)2(1(n+1)qn)(1q)(qqn+1)(1)
    简化得到:
    T ( q ) = ( 1 − ( n + 1 ) q n − q + ( n + 1 ) q n + 1 ) + q − q n + 1 ( 1 − q ) 2 T(q) = \frac{(1 - (n+1)q^n - q + (n+1)q^{n+1}) + q - q^{n+1}}{(1-q)^2} T(q)=(1q)2(1(n+1)qnq+(n+1)qn+1)+qqn+1
    T ( q ) = 1 − ( n + 1 ) q n + ( n + 1 ) q n + 1 ( 1 − q ) 2 T(q) = \frac{1 - (n+1)q^n + (n+1)q^{n+1}}{(1-q)^2} T(q)=(1q)21(n+1)qn+(n+1)qn+1

  5. 最终结果
    通过对几何级数求导,我们得到:
    ∑ k = 1 n k q k − 1 = 1 − ( n + 1 ) q n + n q n + 1 ( 1 − q ) 2 \sum_{k=1}^n k q^{k-1} = \frac{1 - (n+1)q^n + n q^{n+1}}{(1-q)^2} k=1nkqk1=(1q)21(n+1)qn+nqn+1

这样,我们就用 LaTeX 格式表示了 (\sum_{k=1}^n k q^{k-1}) 的求解步骤和最终结果。

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