卢鹏博
发布于 2025-05-31 / 12 阅读
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莱布尼兹级数

莱布尼兹级数是一个经典的,关于π的级数,其结果为:

\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}}{2n-1}=1-\frac{1}{3}+\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\cdots=\frac{\pi}{4}

证明:

法一(泰勒)

事实上,这是\arctan x泰勒展开式在x=1的取值。

解:

\arctan x=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}}{2n-1}x^{2n-1}\ (-1<x\leq 1)

于是

\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}}{2n-1}=1-\frac{1}{3}+\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\cdots=\boxed{\frac{\pi}{4}}

法二(含参积分)

考虑

f(x)=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}}{2n-1}x^{2n-1}

f(x)[0,1]一致收敛,且级数\sum_{n=1}^{\infty}(-x^2)^{n-1}[0,1)一致收敛,因此

f'(x)=\sum_{n=1}^{\infty}{(-1)^{n-1}}x^{2n-2}=\sum_{n=1}^{\infty}(-x^2)^{n-1}=\frac{1}{1+x^2}\ (0\leq x<1)

于是

f(x)=\int_{0}^{x}\frac{1}{1+t^2}dt=\arctan x\ (0\leq x<1)

因此

\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}}{2n-1}=f(1)=\lim_{x\to 1^{-1}}\arctan x=\boxed{\frac{\pi}{4}}

综上,我们证明了:

\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}}{2n-1}=\boxed{\frac{\pi}{4}}


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