关于调和级数的证明
考虑 ln(1+x) 的麦克劳林展开式 x−x22+x33−x44+x55−…
令 x=1v 可得 ln(1+1v)=1v−12v2+13v3−14v4+…
故 1v=ln(1+1v)+12v2−13v3+14v4−…
令 v=1,2,3,…,n,并将得到的式子加起来可得:
左边 =1+12+13+⋯+1n
右边 =ln(21)+ln(32)+⋯+ln(n+1n)+
12(1+122+132+⋯+1n2)−13(1+123+133+⋯+1n3)+…
根据对数的性质有 ln(21)+ln(32)+⋯+ln(n+1n)=ln(21×32×⋯×n+1n)=ln(n+1)
令 C=12(1+122+132+⋯+1n2)−13(1+123+133+⋯+1n3)+…
则 =1+12+13+⋯+1n=ln(n+1)+C
现在我们的任务就是求出 C 的大致范围。
令 P(t)=1t(1+12t+13t+⋯+1nt)
则 C=P(2)−P(3)+P(4)−P(5)+…
显然 P(i)<P(i+1)
一方面 C=(P(2)−P(3))+(P(4)−P(5))+⋯>0
另一方面 C=P(2)−(P(3)−P(4))−(P(5)−P(6))+⋯<P(2)
而 P(2)=12(1+122+132+⋯+1n2)<12(1+1+11×2+12×3+⋯+1n×(n+1)=1−12n(n+1)<1
故 0<C<1
证毕
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