Дано утверждение: "Для любых натуральных n сумма обратных элементов 1 + 1/2 + ... + 1/n меньше ln n + 1". Проведите критический разбор доказательства с использованием интегральных сравнений, укажите точность оценки, найдите лучшие известные неравенства для частичных сумм гармонического ряда
Кратко: утверждение верно. Для n=1n=1n=1 имеем равенство, для n≥2n\ge2n≥2 — строгое неравенство. Доказательство интегральным сравнением (схема). Пусть Hn=∑k=1n1kH_n=\sum_{k=1}^n\frac{1}{k}Hn=∑k=1nk1. Для убывающей функции f(x)=1/xf(x)=1/xf(x)=1/x на отрезках [k−1,k][k-1,k][k−1,k] выполняется 1k<∫k−1kdxx \frac{1}{k}<\int_{k-1}^{k}\frac{dx}{x}k1<∫k−1kxdx при k≥2k\ge2k≥2. Суммируя для k=2,…,nk=2,\dots,nk=2,…,n, Hn−1=∑k=2n1k<∑k=2n∫k−1kdxx=∫1ndxx=lnn,
H_n-1=\sum_{k=2}^n\frac{1}{k}<\sum_{k=2}^n\int_{k-1}^k\frac{dx}{x}=\int_1^n\frac{dx}{x}=\ln n, Hn−1=k=2∑nk1<k=2∑n∫k−1kxdx=∫1nxdx=lnn,
откуда Hn<1+lnn(n≥2),
H_n<1+\ln n\quad (n\ge2), Hn<1+lnn(n≥2),
и при n=1n=1n=1 тривиально H1=1=ln1+1H_1=1=\ln1+1H1=1=ln1+1. Аналогично, для нижней оценки 1k≥∫kk+1dxx\frac{1}{k}\ge\int_k^{k+1}\frac{dx}{x}k1≥∫kk+1xdx даёт Hn≥∫1n+1dxx=ln(n+1).
H_n\ge\int_1^{n+1}\frac{dx}{x}=\ln(n+1). Hn≥∫1n+1xdx=ln(n+1). Точность оценки. Интегральное сравнение даёт лишь грубую границу: разность (1+lnn)−Hn(1+\ln n)-H_n(1+lnn)−Hn стремится к константе 1−γ1-\gamma1−γ, где Hn=lnn+γ+εn,γ≈0.5772156649…
H_n=\ln n+\gamma+\varepsilon_n,\qquad \gamma\approx0.5772156649\dots Hn=lnn+γ+εn,γ≈0.5772156649…
и εn→0\varepsilon_n\to0εn→0. Поэтому 1+lnn1+\ln n1+lnn завышает HnH_nHn асимптотически на примерно 1−γ≈0.422781-\gamma\approx0.422781−γ≈0.42278. Более точные (классические и «лучшие») неравенства. 1) Простые двухсторонние: ln(n+1)≤Hn≤1+lnn.
\ln(n+1)\le H_n\le 1+\ln n. ln(n+1)≤Hn≤1+lnn. 2) Остаток через постоянную Эйлера—Маскерони (очень точная двухсторонняя граница): 12(n+1)<Hn−lnn−γ<12n(n≥1).
\frac{1}{2(n+1)}<H_n-\ln n-\gamma<\frac{1}{2n}\qquad (n\ge1). 2(n+1)1<Hn−lnn−γ<2n1(n≥1).
Это даёт порядок погрешности O(1/n)O(1/n)O(1/n) и существено точнее интегральной оценки. 3) Асимптотическое разложение (Эйлер—Маклорен): Hn=lnn+γ+12n−112n2+1120n4−⋯ ,
H_n=\ln n+\gamma+\frac{1}{2n}-\frac{1}{12n^2}+\frac{1}{120n^4}-\cdots, Hn=lnn+γ+2n1−12n21+120n41−⋯,
с чередующимся рядом, чьи члены выражаются через числа Бернулли B2kB_{2k}B2k. При усечении ряда остающийся член имеет тот же знак и по модулю не превышает следующего включённого члена, что позволяет получать явные строгие оценки остатка. 4) Точная связь с дигамма-функцией: Hn=ψ(n+1)+γ,
H_n=\psi(n+1)+\gamma, Hn=ψ(n+1)+γ,
что даёт доступ к богатой теории специальных функций и к строгим неравенствам для ψ\psiψ. Вывод: доказательство через интегральные сравнения корректно и просто, но даёт слабую (неточную в смысле асимптотики) верхнюю границу. Для точных оценок используют неравенство с 1/(2n)1/(2n)1/(2n) и разложение Эйлера—Маклорена (Bernoulli terms) или связь с дигамма-функцией.
Доказательство интегральным сравнением (схема). Пусть Hn=∑k=1n1kH_n=\sum_{k=1}^n\frac{1}{k}Hn =∑k=1n k1 . Для убывающей функции f(x)=1/xf(x)=1/xf(x)=1/x на отрезках [k−1,k][k-1,k][k−1,k] выполняется 1k<∫k−1kdxx \frac{1}{k}<\int_{k-1}^{k}\frac{dx}{x}k1 <∫k−1k xdx при k≥2k\ge2k≥2. Суммируя для k=2,…,nk=2,\dots,nk=2,…,n,
Hn−1=∑k=2n1k<∑k=2n∫k−1kdxx=∫1ndxx=lnn, H_n-1=\sum_{k=2}^n\frac{1}{k}<\sum_{k=2}^n\int_{k-1}^k\frac{dx}{x}=\int_1^n\frac{dx}{x}=\ln n,
Hn −1=k=2∑n k1 <k=2∑n ∫k−1k xdx =∫1n xdx =lnn, откуда
Hn<1+lnn(n≥2), H_n<1+\ln n\quad (n\ge2),
Hn <1+lnn(n≥2), и при n=1n=1n=1 тривиально H1=1=ln1+1H_1=1=\ln1+1H1 =1=ln1+1. Аналогично, для нижней оценки 1k≥∫kk+1dxx\frac{1}{k}\ge\int_k^{k+1}\frac{dx}{x}k1 ≥∫kk+1 xdx даёт
Hn≥∫1n+1dxx=ln(n+1). H_n\ge\int_1^{n+1}\frac{dx}{x}=\ln(n+1).
Hn ≥∫1n+1 xdx =ln(n+1).
Точность оценки. Интегральное сравнение даёт лишь грубую границу: разность (1+lnn)−Hn(1+\ln n)-H_n(1+lnn)−Hn стремится к константе 1−γ1-\gamma1−γ, где
Hn=lnn+γ+εn,γ≈0.5772156649… H_n=\ln n+\gamma+\varepsilon_n,\qquad \gamma\approx0.5772156649\dots
Hn =lnn+γ+εn ,γ≈0.5772156649… и εn→0\varepsilon_n\to0εn →0. Поэтому 1+lnn1+\ln n1+lnn завышает HnH_nHn асимптотически на примерно 1−γ≈0.422781-\gamma\approx0.422781−γ≈0.42278.
Более точные (классические и «лучшие») неравенства.
1) Простые двухсторонние:
ln(n+1)≤Hn≤1+lnn. \ln(n+1)\le H_n\le 1+\ln n.
ln(n+1)≤Hn ≤1+lnn.
2) Остаток через постоянную Эйлера—Маскерони (очень точная двухсторонняя граница):
12(n+1)<Hn−lnn−γ<12n(n≥1). \frac{1}{2(n+1)}<H_n-\ln n-\gamma<\frac{1}{2n}\qquad (n\ge1).
2(n+1)1 <Hn −lnn−γ<2n1 (n≥1). Это даёт порядок погрешности O(1/n)O(1/n)O(1/n) и существено точнее интегральной оценки.
3) Асимптотическое разложение (Эйлер—Маклорен):
Hn=lnn+γ+12n−112n2+1120n4−⋯ , H_n=\ln n+\gamma+\frac{1}{2n}-\frac{1}{12n^2}+\frac{1}{120n^4}-\cdots,
Hn =lnn+γ+2n1 −12n21 +120n41 −⋯, с чередующимся рядом, чьи члены выражаются через числа Бернулли B2kB_{2k}B2k . При усечении ряда остающийся член имеет тот же знак и по модулю не превышает следующего включённого члена, что позволяет получать явные строгие оценки остатка.
4) Точная связь с дигамма-функцией:
Hn=ψ(n+1)+γ, H_n=\psi(n+1)+\gamma,
Hn =ψ(n+1)+γ, что даёт доступ к богатой теории специальных функций и к строгим неравенствам для ψ\psiψ.
Вывод: доказательство через интегральные сравнения корректно и просто, но даёт слабую (неточную в смысле асимптотики) верхнюю границу. Для точных оценок используют неравенство с 1/(2n)1/(2n)1/(2n) и разложение Эйлера—Маклорена (Bernoulli terms) или связь с дигамма-функцией.