• 具体数学第二版第二章习题(2)


    16 $x^{underline{n}}(x-n)^{underline{m}}=x^{underline{m}}(x-m)^{underline{n}}=x^{underline{n+m}}$

    17 当$m>0$时,有$x^{overline{m}}=x(x+1)(x+2)..(x+m-2)(x+m-1)$

    当$m=0$时,有$x^{overline{0}}=1$

    当$m<0$时,有$x^{overline{m}}=frac{1}{(x-1)(x-2)...(x-(|m|-1))(x-|m|)}$

    对于第一个式子,$m=0$时显然都是1.

    (1)当$m>0$时,

    $(-1)^{m}(-x)^{underline{m}}=(-1)^{m}(-x)(-x-1)(-x-2)...(-x-(m-1))=x(x+1)(x+2)...(x+m-1)=x^{overline{m}}$

    $(x+m-1)^{underline{m}}=(x+m-1)(x+m-2)...(x+1)x=x^{overline{m}}$

    $frac{1}{(x-1)^{underline{-m}}}=(x-1+1)(x-1+2)...(x-1+m)=x^{overline{m}}$

    (2)当$m<0$时,不妨令$m=-m$,

    $(-1)^{-m}(-x)^{underline{-m}}=frac{1}{(-1)^{m}}*frac{1}{(-x+1)(-x+2)...(-x+m)}$

    $=frac{1}{(x-1)(x-2)(x-3)..(x-m)}=x^{overline{-m}}$

    $(x-m-1)^{underline{-m}}=frac{1}{(x-m-1+1)(x-m-1+2)...(x-m-1+m)}=x^{overline{-m}}$

    $frac{1}{(x-1)^{underline{m}}}=frac{1}{(x-1)(x-1-1)...(x-1-(m-1))}=x^{overline{-m}}$

    第二个式子类似。

    18 令$p$表示$sum_{k in K}a_{k}$绝对收敛; $q$表示存在有界常数$B$使得任意有限子集$F in K$有$sum_{k in F}|a_{k}| leq B$

    (1)$p ightarrow q$:若$sum_{k in K}a_{k}$绝对收敛,那么有$sum_{kin K}Re a_{k},sum_{kin K}Im  a_{k}$分别绝对收敛,而$|a_{k}|leq (Re a_{k})^{+}+(Re a_{k})^{-}+(Im  a_{k})^{+}+(Im  a_{k})^{-}$,所以$sum_{kin F}|a_{k}|leq sum_{kin F}((Re a_{k})^{+}+(Re a_{k})^{-}+(Im  a_{k})^{+}+(Im  a_{k})^{-})$,而后者绝对收敛,所以存在有界常数$B$满足条件;

    (2)$q ightarrow p$:由于$(Re a_{k})^{+}leq |a_{k}|,(Re a_{k})^{-}leq |a_{k}|,(Im  a_{k})^{+}leq |a_{k}|,(Im  a_{k})^{-}leq |a_{k}|$,所以存在有界常数$X,Y,Z,W$使得$sum_{kin F}(Re a_{k})^{+}leq X,sum_{kin F}(Re a_{k})^{-}leq Y,sum_{kin F}(Im  a_{k})^{+}leq Z,sum_{kin F}(Im  a_{k})^{-}leq W$,所以$sum_{kin K}Re a_{k},sum_{kin K}Im a_{k}$都是绝对收敛的,所以$sum_{k in K}a_{k}$绝对收敛

    19 $a_{n}=2,b_{n}=n$,所以$s_{n}=frac{a_{1}a_{2}...a_{n-1}}{b_{2}b_{3}...b_{n}}=frac{2^{n-1}}{n!}$,两边同时乘以$s_{n}$得到:$frac{2^{n}}{n!}T_{n}=frac{2^{n-1}}{(n-1)!}T_{n-1}+3*2^{n-1}$,$T_{0}=5 ightarrow T_{1}=4$

    令$P_{n}=frac{2^{n}}{n!}T_{n}$,那么有$P_{n}=P_{n-1}+3*2^{n-1},P_{1}=8$,所以$P_{n}=3*(2^{n-1}+2^{n-2}+...+2^{1})+8=3*2^{n}+2$,所以$T_{n}=(3*2^{n}+2)*frac{n!}{2^{n}}$,验证可得对于$n=0$也满足条件。

    20 $sum_{k=0}^{n}kH_{k}+(n+1)H_{n+1}$

    $=sum_{k=0}^{n}(k+1)H_{k+1}$

    $=sum_{k=0}^{n}kH_{k+1}+sum_{k=0}^{n}H_{k+1}$

    $=sum_{k=0}^{n}k(H_{k}+frac{1}{k+1})+sum_{k=0}^{n}(H_{k}+frac{1}{k+1})$

    $=sum_{k=0}^{n}kH_{k}+sum_{k=0}^{n}frac{k}{k+1}+sum_{k=0}^{n}H_{k}+sum_{k=0}^{n}frac{1}{k+1}$

    $=sum_{k=0}^{n}kH_{k}+sum_{k=0}^{n}H_{k}+n+1$

    所以$sum_{k=0}^{n}H_{k}=(n+1)(H_{n+1}-1)$

    21 (1)一方面,$S_{n+1}=sum_{k=0}^{n+1}(-1)^{n+1-k}=1+sum_{k=0}^{n}(-1)^{n+1-k}=1-sum_{k=0}^{n}(-1)^{n-k}=1-S_{n}$,

    另一方面,$S_{n+1}=sum_{k=0}^{n+1}(-1)^{n+1-k}=(-1)^{n+1}+sum_{k=1}^{n+1}(-1)^{n+1-k}=(-1)^{n+1}+sum_{k=0}^{n}(-1)^{n-k}=(-1)^{n+1}+S_{n}$

    所以$S_{n}=frac{1+(-1)^{n}}{2}$

     (2)一方面$T_{n+1}=sum_{k=0}^{n+1}(-1)^{n+1-k}k=sum_{k=1}^{n+1}(-1)^{n+1-k}k=sum_{1leq k+1leq n+1}(-1)^{n+1-(k+1)}(k+1)=sum_{k=0}^{n}(-1)^{n-k}(k+1)=sum_{k=0}^{n}(-1)^{n-k}k+sum_{k=0}^{n}(-1)^{n-k}=T_{n}+S_{n}$

    另一方面,$T_{n+1}=sum_{k=0}^{n+1}(-1)^{n+1-k}k=n+1+sum_{k=0}^{n}(-1)^{n+1-k}k=n+1-sum_{k=0}^{n+1}(-1)^{n-k}k=n+1-T_{n}$

    所以$T_{n}=frac{n+1-S_{n}}{2}=frac{2n+1-(-1)^n}{4}$

    (3)一方面$U_{n+1}=sum_{k=0}^{n+1}(-1)^{n+1-k}k^{2}=sum_{k=1}^{n+1}(-1)^{n+1-k}k^{2}=sum_{k=0}^{n}(-1)^{n-k}(k+1)^{2}=sum_{k=0}^{n}(-1)^{n-k}k^{2}+2T_{n}+S_{n}=U_{n}+n+1$

    另一方面,$U_{n+1}=sum_{k=0}^{n+1}(-1)^{n+1-k}k^{2}=(n+1)^{2}+sum_{k=0}^{n}(-1)^{n+1-k}k^{2}=(n+1)^{2}-U_{n}$

    所以$U_{n}=frac{n(n+1)}{2}$

    22 直接证明下面的一般式。

    $sum_{1leq j < k leq n}(a_{j}b_{k}-a_{k}b_{j})(A_{j}B_{k}-A_{k}B_{j})$

    $=frac{1}{2}sum_{1leq j,k leq n}(a_{j}b_{k}-a_{k}b_{j})(A_{j}B_{k}-A_{k}B_{j})$

    $=frac{1}{2}sum_{1leq j,k leq n}(a_{j}b_{k}A_{j}B_{k}-a_{k}b_{j}A_{j}B_{k}-a_{j}b_{k}A_{k}B_{j}+a_{k}b_{j}A_{k}B_{j})$

    $=sum_{1leq j,k leq n}(a_{j}b_{k}A_{j}B_{k}-a_{k}b_{j}A_{j}B_{k})$

    $=left (sum_{k=1}^{n}a_{k}A_{k}  ight )left (sum_{k=1}^{n}b_{k}B_{k}  ight )-left (sum_{k=1}^{n}a_{k}B_{k}  ight )left (sum_{k=1}^{n}b_{k}A_{k}  ight )$

    23 (1)$sum_{k=1}^{n}frac{2k+1}{k(k+1)}=sum_{k=1}^{n}frac{k+(k+1)}{k(k+1)}=sum_{k=1}^{n}(frac{1}{k}+frac{1}{k+1})=2H_{n}-frac{n}{n+1}$

    (2)令$u(x)=2x+1,Delta v(x)=frac{1}{x(x+1)}=(x-1)^{underline{-2}}$,所以$Delta u(x)=u(x+1)-u(x)=2,v(x)=-(x-1)^{underline{-1}}=-frac{1}{x},E_{v}(x)=-frac{1}{x+1}$,所以$sum (2x+1)frac{1}{x(x+1)}delta x=(2x+1)(-frac{1}{x})-sum (-frac{2}{x+1})delta x=-2-frac{1}{x}+2H_{x}+C$,

    所以$sum_{k=1}^{n}frac{2k+1}{k(k+1)}$

    $= sum_{1}^{n+1}(2x+1)frac{1}{x(x+1)}delta x$

    $=left (-2-frac{1}{x}+2H_{x}  ight )|_{1}^{n+1}$

    $=(-2-frac{1}{n+1}+2H_{n+1})-(-2-1+2H_{1})=2H_{n}-frac{n}{n+1}$

    24 令$u(x)=H_{x},Delta v(x)=frac{1}{(x+1)(x+2)}=x^{underline{-2}}$,所以$Delta u(x)=frac{1}{x+1},v(x)=-x^{underline{-1}}=-frac{1}{x+1}$,所以$E_{v}(x)=-frac{1}{x+2}$,

    所以$sum H_{x}frac{1}{(x+1)(x+2)}delta x$

    $=sum u_{x}Delta v_{x}delta x$

    $=u_{x}v_{x}-sum E_{v}(x)Delta u_{x}delta  x$

    $=-frac{H_{x}}{x+1}-sum (-frac{1}{x+2})frac{1}{x+1}delta  x$

    $=-frac{H_{x}}{x+1}+sum x^{underline{-2}}delta x$

    $=-frac{H_{x}}{x+1}-frac{1}{x+1}$

    $=-frac{H_{x}+1}{x+1}$

    所以$sum_{0leq k < n} H_{k}frac{1}{(k+1)(k+2)}$

    $=left (-frac{H_{x}+1}{x+1}  ight )|_{0}^{n}$

    $=-frac{H_{n}+1}{n+1}-(-1)=1-frac{H_{n}+1}{n+1}$

    25 $sum_{kin K}ca_{k}=csum_{kin K}a_{k}leftrightarrow prod _{kin K}a_{k}^{c}=left (prod _{kin K}a_{k}  ight )^{c}$

    $sum_{kin K}(a_{k}+b_{k})=sum_{kin K}a_{k}+sum_{kin K}b_{k}leftrightarrow prod _{kin K}a_{k}b_{k}=left (prod _{kin K}a_{k}  ight )left (prod _{kin K}b_{k}  ight )$

    26 $P^{2}=left (prod_{1leq j, kleq n}a_{j}a_{k}  ight )left ( prod _{k=1}^{n}a_{k}^{2} ight )$

    $=left (prod_{1leq kleq n}a_{k}^{2n}  ight )left ( prod _{k=1}^{n}a_{k}^{2} ight )$

    $= prod _{k=1}^{n}a_{k}^{2n+2} ightarrow P=prod _{k=1}^{n}a_{k}^{n+1}$

    27 $Delta ((-2)^{underline{x}})$

    $=(-2)^{underline{x+1}}-(-2)^{underline{x}}$

    $=(-2-x-1)(-2)^{underline{x}}$

    $=frac{(-2)^{underline{x}}(-2-x)(-2-(x+1))}{(-2-x)}$

    $=-frac{(-2)^{underline{x+2}}}{x+2}$

    所以$Delta (-(-2)^{underline{x-2}})=frac{(-2)^{underline{x}}}{x}$

    所以$sum frac{(-2)^{underline{x}}}{x}delta x=-(-2)^{underline{x-2}}$

    所以$sum_{k=1}^{n} frac{(-2)^{underline{k}}}{k}=left (-(-2)^{underline{x-2}}  ight )|_{1}^{n+1}=(-1)^{n}n!-1$

    28 交换求和次序的时候,并不是绝对收敛的。所以不能交换求和次序。

    29 $sum_{k=1}^{n}frac{(-1)^{k}k}{4k^{2}-1}$

    $=frac{1}{4}sum_{k=1}^{n}(-1)^{k}(frac{1}{2k-1}+frac{1}{2k+1})$

    $=frac{1}{4}(-frac{1}{1}-frac{1}{3}+frac{1}{3}+frac{1}{5}-frac{1}{5}-frac{1}{7}...+frac{(-1)^{n}}{2n-1}+frac{(-1)^{n}}{2n+1})$

    $=frac{1}{4}(-1+frac{(-1)^{n}}{2n+1})$

    30 设$n$可以表示成$k$个连续正整数之和,最小的正整数为$a$,即$n=frac{(a+a+k-1)k}{2}$,所以$2a-1=frac{2n}{k}-k$

    所以$frac{2n}{k}-k$是个奇数并且大于等于1.

    令$n=2^{p}q,k=2^{t}r$,其中$q,r$是奇数。可以得到$t$要么等于0要么等于$p+1$,要么$k=1$.只有满足这三种情况之一,才能保证$frac{2n}{k}-k$是个奇数并且大于等于1.

      (1)$k=1$,此时$a=n$,那么得到二元组$(k,a)=(1, n)$

    (2)$t=p+1$,此时$k=2^{p+1}$,如果此时$frac{2n}{k}-k=q-2^{p+1}geq 1$,那么将得到一组$(k, a)$.否则由于$q eq 2^{p+1}$,所以$q-2^{p+1}leq -1$,所以$2^{p+1}-qgeq 1$,所以此时令$k^{'}=q$那么仍然有$frac{2n}{k^{'}}-k^{'}geq 1$,此时也可以得到一个解$(k^{'},a)$

    (3)令$k=r|q$且$1<r<q$,也就是$k$是$n$的一个小于$q$大于1的奇数因子。同样如果此时$frac{2n}{k}-kgeq 1$那么得到一组$(k,a)$,否则令$k^{'}=frac{2n}{k}$,那么有$frac{2n}{k^{'}}-k^{'}geq 1$,此时得到一组解$(k^{'},a)$

    总结来说,如果表示成$2a-1=frac{2n}{k}-k=X-Y$,那么$X,Y$中有且仅有一个是$n$的奇数因子。如果可以证明在上面所有情况中的任意两种得到的二元组是不同的,那么可以得到一个结论就是对于$n$的任意一个奇数因子,都存在一组解。

    证明分三种情况:

    (1)对于任意的两个不同的奇数因子$k_{1},k_{2}$,如果$frac{2n}{k_{1}}-k_{1}geq 1,frac{2n}{k_{2}}-k_{2}geq 1$,那么一定要满足$frac{2n}{k_{1}}-k_{1} eq frac{2n}{k_{2}}-k_{2}$

    (2)对于任意的两个不同的奇数因子$k_{1},k_{2}$,如果$frac{2n}{k_{1}}-k_{1}geq 1,k_{2}-frac{2n}{k_{2}}geq 1$,那么一定要满足$frac{2n}{k_{1}}-k_{1} eq k_{2}-frac{2n}{k_{2}}$

    (3)对于任意的两个不同的奇数因子$k_{1},k_{2}$,如果$k_{1}-frac{2n}{k_{1}}geq 1,k_{2}-frac{2n}{k_{2}}geq 1$,那么一定要满足$k_{1}-frac{2n}{k_{1}} eq k_{2}-frac{2n}{k_{2}}$

     其中(1)(3)类似,下面只证明(1)(2).

    (1) $frac{2n}{k_{1}}-k_{1} = frac{2n}{k_{2}}-k_{2}Leftrightarrow (2n-k_{1}^{2})k_{2}=(2n-k_{2}^{2})k_{1}Leftrightarrow 2n=-k_{1}k_{2}$,显然不满足,所以等式不成立。

    (2)$frac{2n}{k_{1}}-k_{1} = k_{2}-frac{2n}{k_{2}}Leftrightarrow 2n=k_{1}k_{2}$,显然不满足,因为左边是偶数,右边是奇数。

    下面就是如何计算$n$的奇数因子的个数,由于奇数因子是由若干个奇质数的乘积,所以令$n=2^{e}p_{1}^{t_{1}}p_{2}^{t_{2}}...p_{k}^{t_{k}}$,其中$p_{1},p_{2},...,p_{k}$是奇素数,那么$n$的奇因子的个数为$(t_{1}+1)(t_{2}+1)...(t_{k}+1)$

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