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如何不使用泰勒展开求解该无穷级数求和问题?

不用泰勒展开求解无穷级数$\sum_{n=0}^\infty \frac{n(n+1)(n+2)}{n! + (n+1)! + (n+2)!}$

首先我们先完成通项的化简,这是解题的关键一步:

观察分母$n! + (n+1)! + (n+2)!$,我们可以提取公因式$n!$,得到:
$$n! + (n+1)! + (n+2)! = n!\left[1 + (n+1) + (n+1)(n+2)\right]$$
计算括号内的表达式:
$$1 + n+1 + (n^2+3n+2) = n^2+4n+4 = (n+2)^2$$
因此分母化简为$n!(n+2)^2$,结合分子$n(n+1)(n+2)$,通项可以简化为:
$$\frac{n(n+1)(n+2)}{n!(n+2)^2} = \frac{n(n+1)^2}{(n+2)!}$$
注意当$n=0$时,分子为0,所以级数可以从$n=1$开始计算(不影响结果)。

接下来我们用裂项相消法来求解,核心是把通项拆成能相互抵消的项:

首先把分子$n(n+1)^2$变形为$(n+2)(n+1)n - n(n+1)$,代入通项得:
$$\frac{n(n+1)^2}{(n+2)!} = \frac{n(n+1)(n+2)}{(n+2)!} - \frac{n(n+1)}{(n+2)!}$$
第一项化简后:
$$\frac{n(n+1)(n+2)}{(n+2)!} = \frac{n(n+1)}{(n+1)!} = \frac{n}{n!} = \frac{1}{(n-1)!}$$

对于第二项$\frac{n(n+1)}{(n+2)!}$,我们继续拆分分子:$n(n+1)=(n+2)(n+1)-2(n+1)$,代入得:
$$\frac{n(n+1)}{(n+2)!} = \frac{(n+2)(n+1)}{(n+2)!} - \frac{2(n+1)}{(n+2)!} = \frac{1}{n!} - 2\left(\frac{1}{(n+1)!} - \frac{1}{(n+2)!}\right)$$
这里用到了阶乘的裂项公式:$\frac{n+1}{(n+2)!} = \frac{1}{(n+1)!} - \frac{1}{(n+2)!}$(通分右边即可验证)。

现在把所有拆分结果整合,通项可以写成:
$$\frac{n(n+1)^2}{(n+2)!} = \frac{1}{(n-1)!} - \frac{1}{n!} + \frac{2}{(n+1)!} - \frac{2}{(n+2)!}$$

接下来计算级数的和,我们把它拆成四个级数的和:
$$S = \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{(n-1)!} - \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n!} + 2\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{(n+1)!} - 2\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{(n+2)!}$$

为了方便计算,我们令$C = \sum_{k=0}^\infty \frac{1}{k!}$(这里不用泰勒展开定义它为e,只作为一个常数处理),然后分别转换每个级数:

  • 第一个级数:$\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{(n-1)!} = \sum_{k=0}^\infty \frac{1}{k!} = C$
  • 第二个级数:$\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n!} = C - 1$(减去k=0时的项1)
  • 第三个级数:$\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{(n+1)!} = \sum_{k=2}^\infty \frac{1}{k!} = C - 1 - 1 = C - 2$(减去k=0和k=1的项)
  • 第四个级数:$\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{(n+2)!} = \sum_{k=3}^\infty \frac{1}{k!} = C - 1 -1 - \frac{1}{2} = C - \frac{5}{2}$(减去k=0、1、2的项)

把这些代入S的表达式:
$$S = C - (C - 1) + 2(C - 2) - 2\left(C - \frac{5}{2}\right)$$
展开计算:
$$S = C - C + 1 + 2C - 4 - 2C + 5 = 2$$

最终我们得到这个无穷级数的和为2

内容的提问来源于stack exchange,提问作者chanp

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