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

4 Ноя в 06:58
7 +7
0
Ответы
1
Кратко: утверждение верно. Для n=1n=1n=1 имеем равенство, для n≥2n\ge2n2 — строгое неравенство.
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][k1,k] выполняется 1k<∫k−1kdxx \frac{1}{k}<\int_{k-1}^{k}\frac{dx}{x}k1 <k1k xdx при k≥2k\ge2k2. Суммируя для k=2,…,nk=2,\dots,nk=2,,n,
Hn−1=∑k=2n1k<∑k=2n∫k−1kdxx=∫1ndxx=ln⁡n, 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=2n k1 <k=2n k1k xdx =1n xdx =lnn,
откуда
Hn<1+ln⁡n(n≥2), H_n<1+\ln n\quad (n\ge2),
Hn <1+lnn(n2),
и при n=1n=1n=1 тривиально H1=1=ln⁡1+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+ln⁡n)−Hn(1+\ln n)-H_n(1+lnn)Hn стремится к константе 1−γ1-\gamma1γ, где
Hn=ln⁡n+γ+εn,γ≈0.5772156649… H_n=\ln n+\gamma+\varepsilon_n,\qquad \gamma\approx0.5772156649\dots
Hn =lnn+γ+εn ,γ0.5772156649
и εn→0\varepsilon_n\to0εn 0. Поэтому 1+ln⁡n1+\ln n1+lnn завышает HnH_nHn асимптотически на примерно 1−γ≈0.422781-\gamma\approx0.422781γ0.42278.
Более точные (классические и «лучшие») неравенства.
1) Простые двухсторонние:
ln⁡(n+1)≤Hn≤1+ln⁡n. \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−ln⁡n−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 lnnγ<2n1 (n1).
Это даёт порядок погрешности O(1/n)O(1/n)O(1/n) и существено точнее интегральной оценки.
3) Асимптотическое разложение (Эйлер—Маклорен):
Hn=ln⁡n+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.
4 Ноя в 08:09
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Прямой эфир