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知识库 · 文字讲解,AI 整理

对级数可以做哪些运算

一个陌生的级数通常不用直接求和,先换一种表达方式。

操作典型动作把题目变成什么
裂项$\frac1{n(n+1)}=\frac1n-\frac1{n+1}$望远镜求和
对参数求导对 $\sum x^n$ 求导产生 $n,n^2,\ldots$ 权重,见 几何级数
对参数积分积分 $\sum x^n$产生 $1/n,1/n^2,\ldots$,见 多重对数函数
交换求和$\sum_n\sum_{k\le n}\to\sum_k\sum_{n\ge k}$调和数的嵌套和,见 欧拉和
重新分组按奇偶、同余类拆ζ、η、β、L 函数,见 Dirichlet η 与 β 函数
正交展开用 Fourier 系数表示函数系数平方和对应积分,见 傅里叶级数
生成函数$a_n\to\sum a_nx^n$递推变方程,见 生成函数
取对数$\log\prod a_n=\sum\log a_n$无穷乘积变级数,见 正弦的无穷乘积
和积分比较$\sum f(n)\leftrightarrow\int f$判断收敛、渐近展开,见 p 级数、Euler–Maclaurin 公式

合法性

无穷求和不是有限求和。逐项求导、积分、换序、重排、取边界值,都要有理由:

  • 幂级数在收敛圆盘内部可以逐项求导、积分;
  • 非负项的双重级数可以换序(Tonelli);绝对收敛也够;
  • 条件收敛的级数不能随便重排,黎曼重排定理说重排可以得到任何和;
  • 把 $x\to1$ 代进幂级数,要单独讨论端点收敛,或者用 Abel 定理。

看外观认结构

15 行
特征先想到工具
$x^n,\ nx^n,\ n^2x^n$几何级数对参数求导
$x^n/n,\ x^n/n^2$积分出来的倒数对数、Polylogarithm
$1/n^p$幂律衰减p 级数、ζ 函数
$1/[n(\ln n)^p]$临界衰减积分判别、凝聚法
$(-1)^n/n^p$交错Leibniz 判别、η 函数
奇数分母加交错符号Dirichlet β$\beta(s)$、Catalan 常数
$H_n$嵌套求和换序、生成函数
$\sin nx,\ \cos nx$正交基Fourier 展开、Parseval
$\binom nk$计数二项式定理、Vandermonde
$\sum a_ka_{n-k}$卷积生成函数
$\sum k^m$多项式有限和差分、Bernoulli 数
$n$ 很大的 $\sum f(k)$要近似,不要精确和积分、Euler–Maclaurin
$\prod(1-x^2/n^2)$正弦的零点无穷乘积
$\prod(1-x^n)^{-1}$整数分拆q 级数
$\sum\lambda_n^{-s}$特征值谱 ζ 函数

遇到陌生的求和,先问「它是哪个结构的系数、积分、导数、特征值之和、或生成函数」,再问怎么算。

用到它的地方

核对

这一条是文字讲解,由 AI 整理,没有可以数值核对的步骤;作者读过后才公开。