5
$\开始组$

计算$$\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{2^{k+1}-1}$$

我用Wolfram|Alpha计算它,得到它大约等于0.6$。如何计算?有人能给我一个提示或建议吗?

$\端组$
5
  • $\开始组$ @杰克·达里奥里奥:虽然我没有投反对票,但也许是因为我没有“回答”这个问题。然而,在你的辩护中,我觉得你做出了正确的决定,把它作为一个答案而不是一个长长的评论。无论如何,这看起来很好。+1$:) $\端组$
    – 克莱顿
    评论 2016年10月21日8:34
  • $\开始组$ 关于显性形式,这是毫无希望的。不难证明$S$是一个无理数(素数的无穷大对$S$的二进制表示有精确的影响),可能它也是一个倒置数。 $\端组$ 评论 2016年10月21日8:34
  • $\开始组$ @杰克·达乌里齐奥(Jack D'Aurizio)我也很惊讶你的出色回答被投了反对票。SE上的否决权普遍存在问题。否决权不应该是匿名的。此外,你为什么删除了你的答案? $\端组$ 评论 2016年10月21日8:36
  • 1
    $\开始组$ @克莱顿:在我看来,我实际上提供了一种计算七位数的方法。我不在乎愚蠢的否决票,OP知道我评论的内容就够了。 $\端组$ 评论 2016年10月21日8:36
  • 1
    $\开始组$ @JeanMarie:为了防止投票战,支持票和反对票的匿名原则不能被违反。但我认为应该强制匿名解释。我不知道投反对票背后的原因,这种现象在我身上屡见不鲜。(顺便说一句,我把答案删除了) $\端组$ 评论 2016年10月21日8:39

2个答案2

重置为默认值
14
$\开始组$

这是一个快速收敛的级数,也是一个兰伯特级数,因为

$$S=\sum_{k\geq1}\frac{1}{2^{k+1}-1}=-1+\sum_}k\geq 1}\frac{1{2^k-1}=-1+\sum__{k\ geq1{\sum_m\geq1}\frac{1}{2^}}=-1++$$其中$d(n)$是$n$的除数。由于$d(n)\leq n$(这是一个非常粗糙的边界)$$S+1-\sum_{n=1}^{n}\frac{d(n)}{2^n}\leq\sum_{n>n}\frac{n}{2|n}=\frac}n+2}{2$n}$$因此,通过选择$N=30$,我们可以得到$$-1+\sum_{n=1}^{30}\frac{d(n)}{2^n}=\color{red}{0.6066951}49\ldot公司$$是$S$的一个非常好的近似值,带有正确的红色数字。


正如Yves Daoust所建议的,另一个好的策略是注意到如果$k$很大,$\frac{1}{2^k-1}$与$\frac{1}}{2$k}$非常接近,因此我们可以按以下方式执行序列加速:

$$S=\sum_{k\geq2}\frac{1}{2^k-1}=\frac}{2_2-1}+\sum_{k\gerq3}\frac{1}{2^k}+\sum_{k\ geq3}\ frac{1'{2^k(2^k-1)}$$将$S$变成$$S=\压裂{7}{12}+\压裂{1}{2^3(2^3-1)}+\sum_{k\geq4}\压裂{1}{4^k}+\sum_{k \geq4}\frac{1}{4^k(2^k-1)}$$$$S=\frac{815}{1344}+\frac{1}{4^4(2^4-1)}+\sum_{k\geq 5}\frac{1}{8^k}+\sum_{k\geq 5}\frac{1}{8^k(2^k-1)}$$因此$S$等于$\frac{260927}{430080}$加上$\sum{k\geq5}\frac}{8^k(2^k-1)}$。只需对该技术进行三次迭代,我们就可以得到$S=\color{red}{0.60669}41\ldots$,第四步得到$S\approx\frac{1391613}{2293760}=\color{red}{0.6066951}20\ldot公司$

在紧凑的形式中,这种加速技术可导致:$$S=\sum_{k\geq1}\左(\frac{1}{2^{(k^2-1)}(2^{k+1}-1)}+\frac}{2${(k ^2+k)},(2^k-1)}\右)$$折叠为:$$\boxed{S=\frac{1}{4}+\sum_{k\geq 2}\frac{8^k+1}{(2^k-1)\,2^{k^2+k}}=0.6066951524152917637833\ldots}$$

具有显著的收敛性提升。
现在,和的主项的行为类似于$2^{-k^2}$,而不是$2^}-k}$。

$\端组$
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  • $\开始组$ 我真的不理解投反对票的原因,所以(+1)。 $\端组$ 评论 2016年10月21日8:41
  • $\开始组$ 通过忽略分母处的$-1$,$n$项后初始序列总和的尾部接近$2^{1-n}$。这提供了一个非常快速的收敛估计($12$精确小数,$19$项)。 $\端组$
    – 用户65203
    评论 2016年10月21日9:06
  • $\开始组$ @伊夫斯·道斯特:这是一个很好的评论。例如,根据这一点为我们的系列设计一种定制的加速技术并不难。回复更新,非常感谢。 $\端组$ 评论 2016年10月21日9:18
  • $\开始组$ 惊人的答案+1(就其价值而言) $\端组$
    – 用户284001
    评论 2016年10月21日9:22
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$\开始组$

也许有趣的是,从$q$-polyamma函数的角度来看,这个系列有一个“封闭形式”。我们有$$S=\sum_{k\geq1}\frac{1}{2^{k+1}-1}=-1-\sum_{k\ageq1}\frac{1}}{1-2^{k}}$$并回顾$q$-多配偶函数有$$S=\color{red}{-1-\frac{\psi{1/2}\left(1\right)+\log\left$$

$\端组$
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  • $\开始组$ 观察良好,+1 $\端组$
    – 用户284001
    评论 2016年10月21日9:22

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