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  • 求和的积分近似

    令 $f(x)$ 是一个单调递减或单调递增的连续函数,现在来估计和式 $sum_{j=1}^nf(j)$ 的值。

    可以通过积分来近似求和,得出上下界如下:

    如果 $f(x)$ 单调递减,那么有

    $$int_m^{n+1}f(x)dx leq sum_{j=m}^n f(j) leq int_{m-1}^nf(x)dx$$

    如果 $f(x)$ 单调递增,那么有

    $$int_{m-1}^{n}f(x)dx leq sum_{j=m}^n f(j) leq int_{m}^{n+1}f(x)dx$$.

    例子

    1、求 $displaystyle j^k, kgeq 1$.

    解:由于 $j^k$ 是递增的,由上面的公式有

    $$int_0^nx^kdx leq sum_{j=1}^nj^k leq int_1^{n+1}x^kdx$$

    即 $frac{n^{k+1}}{k+1} leq sum_{j=1}^nj^k leq frac{(n+1)^{k+1}-1}{k+1}$.

    由确界的定义,我们有 $sum_{j=1}^k = Theta (n^{k+1})$.

    2、求调和级数 $H_n = sum_{j=1}^nfrac{1}{j}$

    解:同样由公式

    上界:$sum_{j=1}^n frac{1}{j} = 1 + sum_{j=2}^n leq 1 + int_{1}^nfrac{dx}{x} = 1 + ln n$,

    下界:$sum_{j=1}^nfrac{1}{j} geq int_1^{n+1}frac{dx}{x} = ln(n+1)$.

    由确界的定义,$H_n = Theta(log n)$.

    3、求级数 $sum_{j=1}^nlog j$.

    解:

    上界:$sum_{j=1}^n log j = log n + int_{1}^nlog j leq log n + nlog n - nlog e + log e$.

    下界:$sum_{j=1}^n log j= sum_{j=2}^n log j geq int_{1}^n log xdx = nlog n - n log e + log e$.

    由确界的定义有 $sum_{j=1}^n log j = Theta (nlog n)$.

    如果对两边取指数,可得到阶乘的近似公式

    $$e(frac{n}{e})^n leq n! leq ne(frac{n}{e})^n$$

    这和String公式已经相当接近了。

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