探究与余割平方类似的收敛级数的收敛函数
嘿,这个问题提得挺有意思的!你注意到的这个级数确实和余割平方级数高度相似,而且它确实是收敛的,我们可以一步步拆解来看:
第一步:简化通项,确认收敛性
先把级数的通项做个变形:
$$\frac{x+n}{|x+n|^3} = \frac{\text{sign}(x+n)}{|x+n|^2}$$
(解释一下:当$x+n>0$时,$|x+n|=x+n$,项就是$\frac{1}{(x+n)2}$;当$x+n<0$时,$|x+n|=-(x+n)$,项就变成$\frac{x+n}{(-(x+n))3}=-\frac{1}{(x+n)2}$,正好对应$\text{sign}(x+n)/|x+n|2$)
只要$x$不是整数(整数点会存在$n=-x$让通项无定义),这个级数是绝对收敛的——因为它的绝对值级数就是你提到的余割平方级数的变形:
$$\sum_{n=-\infty}^\infty \frac{1}{|x+n|^2} = \sum_{n=-\infty}^\infty \frac{1}{(x+n)^2} = \pi2\csc2(\pi x)$$
这个级数是已知收敛的,所以原级数的收敛性完全没问题。
第二步:计算级数的和函数
我们可以利用级数的周期性来简化计算:把$x$写成$k+s$,其中$k$是整数,$s=x-\lfloor x \rfloor$是$x$的小数部分($s\in(0,1)$),原级数就变成周期为1的函数(平移1后级数结构不变),所以只需要计算$s\in(0,1)$的情况。
此时,当$n\geq -k$时,$x+n=s+(n+k)\geq s>0$,$\text{sign}(x+n)=1$;当$n\leq -k-1$时,$x+n=s+(n+k)\leq s-1<0$,$\text{sign}(x+n)=-1$。把级数拆成两部分:
$$
\sum_{n=-k}^\infty \frac{1}{(x+n)^2} - \sum_{n=-\infty}^{-k-1} \frac{1}{(x+n)^2}
$$
做变量替换:
- 第一部分令$m=n+k$,得到$\sum_{m=0}^\infty \frac{1}{(s+m)^2}$
- 第二部分令$m=-(n+k+1)$,得到$\sum_{m=0}^\infty \frac{1}{(m+1-s)^2}$
这两个求和式正好是trigamma函数(digamma函数的导数):$\psi'(z)=\sum_{m=0}^\infty \frac{1}{(z+m)^2}$,所以原级数的和就是:
$$
\psi'(s) - \psi'(1-s)
$$
其中$s=x-\lfloor x \rfloor$($x$的小数部分)。
如果你想结合更熟悉的三角函数关系,也可以用digamma函数的反射恒等式$\psi(1-z)-\psi(z)=\pi\cot(\pi z)$,两边求导得到$\psi'(z)+\psi'(1-z)=\pi2\csc2(\pi z)$,把这个和上面的结果结合,还能把和函数写成$2\psi'(s)-\pi2\csc2(\pi s)$,不过$\psi'(s)-\psi'(1-s)$是最直接的表达式。
这个和函数是周期为1的奇函数(关于$s=1/2$对称),当$s$趋近于0或1时,和函数会趋向于正无穷,这也符合直观判断——靠近整数点时,级数里会出现一个趋近于无穷大的项。
备注:内容来源于stack exchange,提问作者Dst10




