对一类特殊无穷级数的求和的探讨
林宇宸
大阪大学工学系应用化学科,日本大阪府吹田市山田丘2-1
H3PO492025/09/04数学 IP:四川
中文摘要
看b站偶然看到一个有趣的级数,算了一下竟然和贝尔数扯上了联系,发上来供大家一乐
关键词
无穷级数幂级数贝尔数

在这个视频下,看到一个级数。XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

$\sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{n^3}{n!}$

原视频探讨的是这个级数的敛散性。这个敛散性的判断是毋庸置疑的,它是收敛的。现在重要的是计算其具体的值。用手持计算器计算可以得到其值大致上是13.5914,注意到其结果是5e。

现在对这一类级数的值的具体计算进行一个探讨。


定义幂级数:

$f(x,t) = \sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{n^t x^n}{n!}$

我们要求的是$f(1,3)$

很明显有

$f'(x,t) = \sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{n^{t+1} x^{n-1}}{n!}$

$x f'(x,t) = f(x,t+1)$

递归则有

$\begin{align*} x f'(x,2) &= f(x,3) \\ x f'(x,1) &= f(x,2) \\ x f'(x,0) &= f(x,1) \end{align*}$

很明显

$f(x,0) = \sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{x^n}{n!} = e^x - 1$

结算


$f(x,1) = x e^{x}$

$f(x,2) = x e^x + x^2 e^{x}$

$f(x,3) = x e^x + 3x^2 e^x + x^3 e^{x}$

带入x=1,即

$\sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{n^3}{n!} = f(1,3) = 5e$


问题到这里似乎就结束了,但是我们可以求出所有类似级数的值

$\sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{n}{n!} = 1e \sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{n^2}{n!} = 2e \sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{n^3}{n!} = 5e$

$\sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{n^4}{n!} = 15e \sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{n^5}{n!} = 52e \sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{n^6}{n!} = 203e$

对于n的指数是正整数的情况,这类无穷级数都是收敛的,而且其结果都是解析的,都是自然常数e的整数倍。其e前面的系数(1,2,5,15,52,203…)称为贝尔数XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX,与集合分割有关。

例如B3=5,表明一个含有3个相异元素的集合,能够以5种方式被分割(不包含空集):

{A,B,C}的分割有{A,B,C}、{{A,B},{C}}、{{A,C},{B}}、{{C,B},{A}}、{{A},{B},{C}}5种


贝尔数有如下的递推关系

$B_n = \sum\limits_{k=0}^{n-1} B_k \binom{n-1}{k}$

也可以用类似于杨辉三角类似的方式产生

产生方式有4个规则

1.第一行定义B1=1

2.第n行有n个数

3.上一行最后一个数是下一行的第一个数

4.对于一个未知数,其值等于其左侧和左上侧两数之和。

则有

                                             B1

1     2                                          B2

2     3     5                                    B3

5     7     10     15                             B4

15    20    27     37     52                       B5

52    67    87     114   151    203                B6

203  255  322   409   523    674    877        B7

每一行的最后一个数即为贝尔数。没想到在这个无穷级数的尾巴里面,也会惊奇的出现这个数列呢~



[修改于 2个月3天前 - 2025/09/05 20:51:08]

来自:数理化 / 数学严肃内容:专业科普
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