∑sin(nx)/n的值的計算。

 在參考《吉米多維奇4》的基礎之上,最近終於解決了一直困擾自己的一個問題——下面級數的值如何計算,現在將方法分享給大家,若有紕漏之處,望大家批評指正。

\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin nx}{n}

首先,該級數是條件收斂的。證明的話,分兩步:

一、該級數是收斂的,證明如下:(用Dirichlet判別法)

\sum _{n=1}^{N}\sin nx=\sin x+\sin 2x+\sin 3x+\cdots +\sin N

運用三角函數的積化和差公式,得

-2\sin \frac{x}{2}(\sin x+\sin 2x+\sin 3x+\cdots +\sin N)=[\cos \left ( x+\frac{x}{2} \right )-\cos \left ( x-\frac{x}{2} \right )]+[\cos \left ( 2x+\frac{x}{2} \right )-\cos \left ( 2x-\frac{x}{2} \right )]+\cdots +[\cos \left ( Nx+\frac{x}{2} \right )-\cos \left ( Nx-\frac{x}{2} \right )]

 經過化簡(上式等式右邊相鄰兩項抵消),得(0<x<pi)

\sum _{n=1}^{N}\sin nx=\frac{\cos (Nx+\frac{x}{2})-\cos (x-\frac{x}{2})}{2\sin \frac{x}{2}} 

也就是說,無論N取多大,都有

\sum _{n=1}^{N}\left | \sin nx \right | \leq \left | \frac{\cos (Nx+\frac{x}{2})-\cos (x-\frac{x}{2})}{2\sin \frac{x}{2}} \right | \leq \left | \frac{2}{2\sin \frac{x}{2}} \right | \leq \frac{1}{\left | \sin \frac{x}{2} \right |} \leq \infty

故sinnx的部分和有界,又因爲1\n單調遞減趨於零,由Dirichlet判別法知,該級數收斂。

二、該級數不絕對收斂。證明如下:

\sum_{n=1}^{\infty}\left | \frac{\sin nx}{n} \right | \geq \sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin ^2nx}{n}=\sum_{n=1}^{\infty}(\frac{1-\cos 2nx}{2n})=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{2n}-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos 2nx}{2n}

注意,上式等式最右側的級數同上面一的證法也可證明收斂,而右邊第一項的級數是發散的,故該級數加絕對值後等於正無窮,即是發散的。

下面開始計算該級數的值:(運用複數)

z=\cos x+i\sin x,那麼有(下面第三個等號運用公式lnz=ln(|z|e^iargz)=ln|z|+iargz)

\sum_{n=1}^{\infty}\frac{z^n}{n}=\ln \frac{1}{1-z}=\ln \frac{1}{1-\cos x-i\sin x}=-\frac{1}{2}\ln (2-2\cos x)+i\arctan (\frac{\sin x}{1-\cos x})

\frac{\sin x}{1-\cos x}=\cot \frac{x}{2}=\tan \frac{\pi-x}{2}

故有

\sum_{n=1}^{\infty}\frac{z^n}{n}=- \frac{1}{2} \ln (2-2\cos x)+i\arctan (\frac{\sin x}{1-\cos x})=-\frac{1}{2}\ln (2-2\cos x)+i\frac{\pi-x}{2}

又由棣莫弗公式得

\sum_{n=1}^{\infty}\frac{z^n}{n}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(e^{ix})^n}{n}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{e^{inx}}{n}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos nx+i\sin nx}{n}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos nx}{n}+i \sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin nx}{n}

實部對實部,虛部對虛部,故有

\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin nx}{n}=\frac{\pi-x}{2}

\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin nx}{n}=-\frac{1}{2}\ln (2-2\cos x)=-\ln\left | 2\sin \frac{x}{2} \right |

至此,問題得以解決。如計算下面級數的值:可令x=1,則有

\sum _{n=1}^{\infty }\frac{\sin n}{n}=\frac{\pi-1}{2}\approx 1.0708
最後,希望大家能夠對這類問題有所啓發,掌握解決這類問題的一種思路。

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