← WritingNote / Tiếng Việt · Toán · Chuỗi số
Bài toán 1 — Tổng của n/πⁿ
Tính tổng một chuỗi vô hạn bằng cách nhóm các số hạng và sử dụng công thức cấp số nhân.
Ká · · 2 min read

Tính tổng
Xét tổng hữu hạn:
An=π1+π22+π33+⋯+πnn.
Ta muốn tìm giá trị của chuỗi:
A=n=1∑∞πnn.
Nhóm các số hạng
Mỗi số hạng k/πk có thể viết thành tổng của k số hạng bằng 1/πk. Vì vậy:
An=(π1+π21+⋯+πn1)+(π21+⋯+πn1)+(π31+⋯+πn1)+⋯+πn1.
Đặt:
Sm=π1+π21+⋯+πm1.
Mỗi nhóm ở trên bằng Sn trừ đi một tổng đầu. Do đó:
An=nSn−(S1+S2+⋯+Sn−1).
Theo công thức tổng cấp số nhân:
Sm=1−π1π1(1−πm1).
Để các phép biến đổi gọn hơn, đặt r=1/π. Khi ấy:
An=n1−rr(1−rn)−1−rrm=1∑n−1(1−rm)=1−rr[n(1−rn)−(n−1)+m=1∑n−1rm]=1−rr[1−nrn+1−rr(1−rn−1)]=(1−r)2r−(n+1)rn+1+nrn+2.
Thay r=1/π, ta được công thức cho tổng hữu hạn:
An=πn(π−1)2πn+1−(n+1)π+n.
Lấy giới hạn
Chia cả tử và mẫu cho πn:
An=(π−1)2π−πn−1n+1+πnn.
Vì π>1, các số hạng n/πn và (n+1)/πn−1 đều tiến về 0 khi n→∞. Suy ra:
A=n→∞limAn=(π−1)2π=(1−π)2π≈0.68497723153.
Ghi chú: công thức tổng cấp số nhân
Ta có các hằng đẳng thức:
a2−b2a3−b3a4−b4=(a−b)(a+b),=(a−b)(a2+ab+b2),=(a−b)(a3+a2b+ab2+b3).
Tổng quát:
an−bn=(a−b)(an−1+an−2b+⋯+abn−2+bn−1).
Đặt a=1 và b=q, với q=1:
1+q+q2+⋯+qn−1=1−q1−qn.
Vậy tổng n số hạng đầu tiên của một cấp số nhân có số hạng đầu u1 và công bội q=1 là:
Sn=u1+u1q+u1q2+⋯+u1qn−1=u11−q1−qn.
Bài viết gốc: Ká, tháng 4 năm 2022. Bản web giữ cách nhóm tổng của bản gốc, rút gọn phần biến đổi và sửa các lỗi ký hiệu trong công thức tổng hữu hạn.