墨卡托級數




在數學內,墨卡托級數(Mercator series)或者牛頓-墨卡托級數(Newton–Mercator series)是一個自然對數的泰勒級數:


ln⁡(1+x)=x−x22+x33−x44+⋯.{displaystyle ln(1+x);=;x,-,{frac {x^{2}}{2}},+,{frac {x^{3}}{3}},-,{frac {x^{4}}{4}},+,cdots .}{displaystyle ln(1+x);=;x,-,{frac {x^{2}}{2}},+,{frac {x^{3}}{3}},-,{frac {x^{4}}{4}},+,cdots .}

使用大寫sigma表示則為


ln⁡(1+x)=∑n=1∞(−1)n+1nxn.{displaystyle ln(1+x);=;sum _{n=1}^{infty }{frac {(-1)^{n+1}}{n}}x^{n}.}{displaystyle ln(1+x);=;sum _{n=1}^{infty }{frac {(-1)^{n+1}}{n}}x^{n}.}

當 −1 < x ≤ 1時,此級數收斂於自然對數(加了1)。




目录






  • 1 歷史


  • 2 推導


  • 3 特例


  • 4 複數級數


  • 5 參考資料





歷史


這級數被尼古拉斯·墨卡托,牛頓和Gregory Saint-Vincent分別獨立發現。首先被墨卡托出版於其1668年時的著作Logarithmo-technica



推導


這級數可以由泰勒公式導出,藉由不斷地計算第n次ln xx = 1時的微分,一開始是


ddxln⁡x=1x.{displaystyle {frac {d}{dx}}ln x={frac {1}{x}}.}{displaystyle {frac {d}{dx}}ln x={frac {1}{x}}.}

或者,我們可以從有限的等比數列開始(t ≠ −1)


1−t+t2−+(−t)n−1=1−(−t)n1+t{displaystyle 1-t+t^{2}-cdots +(-t)^{n-1}={frac {1-(-t)^{n}}{1+t}}}{displaystyle 1-t+t^{2}-cdots +(-t)^{n-1}={frac {1-(-t)^{n}}{1+t}}}

這可以導出


11+t=1−t+t2−+(−t)n−1+(−t)n1+t.{displaystyle {frac {1}{1+t}}=1-t+t^{2}-cdots +(-t)^{n-1}+{frac {(-t)^{n}}{1+t}}.}{displaystyle {frac {1}{1+t}}=1-t+t^{2}-cdots +(-t)^{n-1}+{frac {(-t)^{n}}{1+t}}.}

然後得到


0xdt1+t=∫0x(1−t+t2−+(−t)n−1+(−t)n1+t)dt{displaystyle int _{0}^{x}{frac {dt}{1+t}}=int _{0}^{x}left(1-t+t^{2}-cdots +(-t)^{n-1}+{frac {(-t)^{n}}{1+t}}right),dt}{displaystyle int _{0}^{x}{frac {dt}{1+t}}=int _{0}^{x}left(1-t+t^{2}-cdots +(-t)^{n-1}+{frac {(-t)^{n}}{1+t}}right),dt}

接著逐項積分,


ln⁡(1+x)=x−x22+x33−+(−1)n−1xnn+(−1)n∫0xtn1+tdt.{displaystyle ln(1+x)=x-{frac {x^{2}}{2}}+{frac {x^{3}}{3}}-cdots +(-1)^{n-1}{frac {x^{n}}{n}}+(-1)^{n}int _{0}^{x}{frac {t^{n}}{1+t}},dt.}{displaystyle ln(1+x)=x-{frac {x^{2}}{2}}+{frac {x^{3}}{3}}-cdots +(-1)^{n-1}{frac {x^{n}}{n}}+(-1)^{n}int _{0}^{x}{frac {t^{n}}{1+t}},dt.}

若−1 < x ≤ 1,餘項會在n→{displaystyle nto infty }n to infty時趨近於零。




這個表示法可以重複積分k次,得到


xAk(x)+Bk(x)ln⁡(1+x)=∑n=1∞(−1)n−1xn+kn(n+1)⋯(n+k),{displaystyle -xA_{k}(x)+B_{k}(x)ln(1+x)=sum _{n=1}^{infty }(-1)^{n-1}{frac {x^{n+k}}{n(n+1)cdots (n+k)}},}{displaystyle -xA_{k}(x)+B_{k}(x)ln(1+x)=sum _{n=1}^{infty }(-1)^{n-1}{frac {x^{n+k}}{n(n+1)cdots (n+k)}},}



這裡的


Ak(x)=1k!∑m=0k(km)xm∑l=1k−m(−x)l−1l{displaystyle A_{k}(x)={frac {1}{k!}}sum _{m=0}^{k}{k choose m}x^{m}sum _{l=1}^{k-m}{frac {(-x)^{l-1}}{l}}}{displaystyle A_{k}(x)={frac {1}{k!}}sum _{m=0}^{k}{k choose m}x^{m}sum _{l=1}^{k-m}{frac {(-x)^{l-1}}{l}}}



Bk(x)=1k!(1+x)k{displaystyle B_{k}(x)={frac {1}{k!}}(1+x)^{k}}{displaystyle B_{k}(x)={frac {1}{k!}}(1+x)^{k}}

都是x的多項式。[1]



特例


令墨卡托級數裡面的x = 1,則我們會得到交錯調和級數


k=1∞(−1)k+1k=ln⁡2.{displaystyle sum _{k=1}^{infty }{frac {(-1)^{k+1}}{k}}=ln 2.}{displaystyle sum _{k=1}^{infty }{frac {(-1)^{k+1}}{k}}=ln 2.}


複數級數


下面的複數冪級數


z−z22+z33−z44+⋯{displaystyle z,-,{frac {z^{2}}{2}},+,{frac {z^{3}}{3}},-,{frac {z^{4}}{4}},+,cdots }{displaystyle z,-,{frac {z^{2}}{2}},+,{frac {z^{3}}{3}},-,{frac {z^{4}}{4}},+,cdots }

是ln(1 + z)的泰勒級數,這裡ln代表複對數(complex logarithm)的 主要分支(principal branch)。這個級數收斂於一個開放的單位圓盤 |z| < 1 以及圓 |z| = 1 , z = -1除外 (根據阿貝爾判別法),而且這裡的收斂對每個半徑小於一的圓盤是一致的 。



參考資料





  1. ^ Medina, Luis A.; Moll, Victor H.; Rowland, Eric S. Iterated primitives of logarithmic powers. 2009. arXiv:0911.1325. 




  • 埃里克·韦斯坦因. Mercator Series. MathWorld. 

  • Eriksson, Larsson & Wahde. Matematisk analys med tillämpningar, part 3. Gothenburg 2002. p. 10.


  • Some Contemporaries of Descartes, Fermat, Pascal and Huygens from A Short Account of the History of Mathematics (4th edition, 1908) by W. W. Rouse Ball




Popular posts from this blog

Guess what letter conforming each word

Port of Spain

Run scheduled task as local user group (not BUILTIN)