伯努利數(shù)(2)——一些應(yīng)用

伯努利數(shù)第一期:自然數(shù)的等冪和——伯努利數(shù)
如上一期結(jié)尾所說,第二類伯努利數(shù)比原始的伯努利數(shù)應(yīng)用更多,而上一期是由原始伯努利數(shù)得到的一系列結(jié)論,這里有必要用第二類伯努利數(shù)改良一下:
為了區(qū)別,就暫時先用表示原始的伯努利數(shù)吧

正切函數(shù)的Maclaurin級數(shù)
我們在微積分中已經(jīng)知道了一些函數(shù)的Maclaurin級數(shù)展開,
這些都是在零點處的n階導(dǎo)數(shù)的規(guī)律比較好找到的函數(shù),但是正切函數(shù)和余切函數(shù)的規(guī)律就沒有這么容易找到了,但是我們還是有辦法將它展開成冪級數(shù)
根據(jù)伯努利數(shù)的生成函數(shù)定義:
把第一項拎出來,則后面所有的奇數(shù)項都等于0了,即
等式右邊又可以化為:
代入回上式就能得到雙曲余切函數(shù)的Lauaent級數(shù)展開:
又有,則
又得到了余切函數(shù)的Lauaent級數(shù)展開
再根據(jù)以下:
于是,
再將它美化一下:

Zeta函數(shù)的偶數(shù)處值
根據(jù)上一期Weierstrass分解定理得到的等式:
以及:
可得:
而剛好右邊是個整函數(shù),根據(jù)上一期的定理可得這個等式是成立的
用替換
:
取對數(shù)導(dǎo)數(shù):
這里假定,將藍色部分展開為冪級數(shù)
而根據(jù)前面的一期專欄又有
于是:
至此,就可以利用伯努利數(shù)來解決更廣義的Basel問題了:

伯努利多項式
前面我們已經(jīng)得到了
其中,右邊括號則為二項式系數(shù),
不妨再將其化簡,
?
根據(jù)Newton-Leibniz?formula(牛頓-萊布尼茲公式),得到
用來表示紅色部分,就能得到一個比較方便的式子
利用導(dǎo)數(shù)的性質(zhì),有
上一期中我們得到了的母函數(shù)為
取導(dǎo)數(shù),
用-t替換t,有
紅色部分就是第二類伯努利數(shù),再用-x替換x,得到
用表示綠色部分,這才是耳熟能詳?shù)?strong>伯努利多項式
可以得到以下性質(zhì):
1,2兩個可以由生成函數(shù)直接得到,3可以在2中用-x替換x得到,4在3中代入x=0就可以得到,5則可以由4直接推出
微分性質(zhì)
對伯努利多項式求導(dǎo),得到
利用該性質(zhì),可得
于是,就可以再次美化一下等冪和公式,對k≠0
差分性質(zhì)
為了方便計算伯努利多項式的差分,不妨利用生成函數(shù)
將右式展為Maclaurin級數(shù),
對比系數(shù),就可以得到
這樣我們就又可以通過伯努利多項式的差分性質(zhì)來得到等冪和公式,
Euler-Maclaurin求和公式
伯努利多項式的微分性質(zhì)可以用來導(dǎo)出Euler-Maclaurin求和公式:?
可以計算得到
對兩邊微分,則
設(shè)是在[0,1]上N階可導(dǎo)的函數(shù)
對它在[0,1]上積分,有
用分部積分法可得:
根據(jù)微分性質(zhì),對整數(shù)k≥0,有
代入到藍色部分,得到
于是我們又可以對后面的積分用分部積分法
不難注意到又能將綠色部分用微分性質(zhì),
重復(fù)上述操作N次,可得
? ?當n≥1時,
代回到上式中,
不知道看到這里的人眼睛還好嗎(# ̄▽ ̄#)
令,則有
這樣就得到了[t,t+1]區(qū)間上的伯努利數(shù)加積分的表達式,用同樣的方法也可以在其他這樣的區(qū)間上得到上面這種表達式
設(shè)a,b都是整數(shù),對t從a加到b-1,
而其余的部分可以根據(jù)差分求和規(guī)則和積分區(qū)間的可加性化簡,得到
最后移項,就能得到大名鼎鼎的Euler-Maclaurin求和公式:
若無窮階可導(dǎo),令
,后面那個積分就趨于零,于是可以把它抬走,而在大于1的奇數(shù)上的伯努利數(shù)恒為零,就有

總結(jié)
這一期我們得到了以下結(jié)論
正切函數(shù)的Maclaurin級數(shù):
zeta函數(shù)在偶數(shù)上的值:
Euler-Maclaurin求和公式:
以上就是本期專欄的全部內(nèi)容了,掰掰
