最近在讀小平邦彥先生的《微積分入門》, 感覺作為入門書難度有些太高. 兩周下來終於看完了實數和函數的基礎部分. 書中關於自然底數 e 的幾個表達式的推導很有意思, 於是寫本篇記錄一些推導過程.
級數表達式
定理1: 如果以級數
∑n=1∞an 的項的絕對值作為項的級數
∑n=1∞∣an∣ 收斂, 則原級數收斂.
證明: 設 sn=∑k=1nak, σn=∑k=1n∣ak∣, 則
∣sn−sm∣=∣k=m+1∑nak∣≤k=m+1∑n∣ak∣=∣σn−σm∣,(m<n)
根據 Cauchy 判別法, 若 {σn} 收斂,則 {sn} 也收斂. □
若 ∑n=1∞∣an∣ 收斂, 則稱級數 ∑n=1∞an 絕對收斂.
定理2: 已知收斂級數
∑n=1∞rn,
rn>0, 若存在自然數
m 使對任意
n≥m 都有
∣an∣≤rn 成立, 則
∑n=1∞an 絕對收斂.
證明: 設 n>m, 則
k=1∑n∣ak∣≤k=1∑m−1∣ak∣+k=m∑nrk≤k=1∑m−1∣ak∣+n=1∑∞rn<+∞
所以 ∑n=1∞∣an∣<+∞. □
冪級數: 形如
∑n=0∞anxn 的級數.
考慮冪級數 ∑n=0∞xn/n!, 其中 x 為任意實數. 設 m 為滿足 m≥2∣x∣ 的自然數, 則對任意 n≥m 有
n!∣x∣n=m!∣x∣m⋅m+1∣x∣⋅m+2∣x∣⋯n∣x∣≤m!2m∣x∣m(21)n
設 M=2m∣x∣m/m!, 則
n=0∑∞M(21)n=2M<+∞
根據定理(2), ∑n=0∞xn/n! 絕對收斂.
常使用收斂性已知的標準級數, 如等比級數
∑n=1∞arn,
0<r<1, 與級數
∑n=1∞an 進行比較, 證明其收斂性.
特別地, 當 x=1 時, 上述級數和用 e 表示:
e=n=0∑∞n!1≈2.71828⋯
極限表達式
e 通常定義為極限
limn→∞(1+1/n)n, 這與上述的級數表達式相等, 但顯然這種表達式收斂更慢.
命題:
e=limn→∞(1+1/n)n.
證明: 設 en=(1+1/n)n, 則根據二項式定理有:
en=1+1!nn1+2!n(n−1)n21+3!n(n−1)(n−2)n31+⋯+nn1
設 an,k=k!n(n−1)⋯(n−k+1)nk1, 則
en=1+k=1∑nan,k
an,k=k!1(1−n1)(1−n2)⋯(1−nk−1)
an,k<an+1,k<k!1
所以
en<en+1<1+k=1∑∞k!1=e
即 {en} 是單調遞增數列且 limn→∞en≤e.
因為 limn→∞an,k=1/k!, 所以對任意自然數 m
n→∞limen≥n→∞lim(1+k=1∑man,k)=1+k=1∑mk!1=e
所以
n→∞limen=n→∞lim(1+n1)n=e
原式得證. □
極限的推廣
將上述極限中的自然數
n 換為實數
t, 則
e=t→+∞lim(1+t1)t
證明: 取滿足 n≤t<n+1 的自然數 n, 則
(1+n+11)n<(1+t1)t<(1+n1)n+1
當 t→+∞ 時, n→∞, 且
n→∞lim(1+n1)n+1=n→∞lim(1+n1)n(1+n1)=e
n→∞lim(1+n+11)n=n→∞lim(1+n+11)n+1/(1+n+11)=e
所以 e=limt→+∞(1+t1)t. □
將 s=t−1 代入原式可得
t→+∞lim(1−t1)−t=s→+∞lim(1+s1)s=e
對於 x>0, 令 s=tx, 則
ex=t→+∞lim(1+t1)tx=s→+∞lim(1+sx)s=n→∞lim(1+nx)n
對於 x<0, 令 y=−x, s=ty, 則
ex=t→+∞lim(1−t1)−tx=s→+∞lim(1−sy)s=n→∞lim(1+nx)n
所以同樣有 ex=limn→∞(1+nx)n.