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175 字
1 分钟
利用反演定理求极限
2026-03-15

例题

求limn→∞(πn2−∑k=0∞n!(n−k)!nk)\\lim_{ n \to \infty }\left(\sqrt{ \frac{\pi n}{2} }-\sum _{k=0}^\infty \frac{n!}{(n-k)!n^k}\right)

利用Gamma函数的性质

k!=∫0∞xke−xdxk!=\int _{0}^\infty x^ke^{-x}dx

利用二项式定理

∑k=0∞n!(n−k)!nk=∑k=0nCnknk∫0∞xke−xdx=∫0∞(1+xn)ne−xdx\sum _{k=0}^ \infty \frac{n!}{(n-k)!n^k}=\sum _{k=0}^n\frac{C_{n}^k}{n^k}\int _{0}^\infty x^ke^{-x}dx=\int _{0}^\infty (1+\frac{x}{n})^ne^{-x}dx

这里因为求和是有限的,所以可以直接换序.

作换元x→nxx\rightarrow nx,得到

n∫0∞[(1+x)e−x]ndxn\int _{0}^\infty [(1+x)e^{-x}]^ndx

为了研究积分的渐近行为,把底数放到指数上

[(1+x)e−x]n=enln⁡[(1+x)e−x][(1+x)e^{-x}]^n=e^{n\ln [(1+x)e^{-x}]}

Laplace方法专门用于处理形如∫e−nf(y)dy\int e^{-nf(y)}dy的积分,故引入yy:

−y=ln⁡[(1+x)e−x]=ln⁡(1+x)−x⇒y=x−ln⁡(1+x)-y=\ln[(1+x)e^{-x}]=\ln(1+x)-x\Rightarrow y=x-\ln (1+x)

计算微分

dy=x1+xdxdy=\frac{x}{1+x}dx

从而原积分化为

n∫0∞e−ny(1+1x)dyn\int_{0}^\infty e^{-ny}(1+\frac{1}{x})dy

因为e−nye^{-ny}衰减得很快,积分的值由y→0+y\rightarrow 0^+影响很大,故考虑1+1x1+\frac{1}{x}的行为.

对于

y=x−ln⁡(1+x)y=x-\ln (1+x)

要反解出x(y)x(y),可以利用Lagrange反演定理.

Lagrange反演

设

w=f(z)=w0+ak(z−z0)k+ak+1(z−z0)k+1+⋯ ,ak≠0,k∈Nw=f(z)=w_{0}+a_{k}(z-z_{0})^k+a_{k+1}(z-z_{0})^{k+1}+\cdots ,a_{k}\neq 0,k\in \mathbb N

则

z=z0+∑n=1∞1n![dn−1dζn−1(ζ−z0(f(ζ)−w0)1k)]ζ=z0(w−w0)nkz=z_{0}+\sum _{n=1}^\infty \frac{1}{n!}\left[ \frac{d^{n-1}}{d\zeta ^{n-1}}\left( \frac{\zeta -z_{0}}{(f(\zeta )-w_{0})^\frac{1}{k}}\right) \right]_{\zeta =z_{0}}(w-w_{0})^\frac{n}{k}

这里给出的并不是严格叙述的版本.

在定理中取k=2k=2,有

x=lim⁡ζ→0+ζζ−ln⁡(ζ+1)⋅y+12lim⁡ζ→0+(ζ2ζ−ln⁡(ζ+1))′⋅y=2y+23y+o(x)x =\lim_{ \zeta \to 0^+ }\frac{\zeta }{\sqrt{ \zeta -\ln (\zeta +1) }} \cdot \sqrt{ y }+\frac{1}{2}\lim_{ \zeta \to 0^+ }\left(\frac{\zeta ^2}{\zeta-\ln(\zeta+1)}\right)'\cdot y \\ =\sqrt{ 2 y}+\frac{2}{3}y+o(x)

从而

1+1x=22y+23+o(1),y→0+1+\frac{1}{x}=\frac{\sqrt{ 2 }}{2\sqrt{ y }}+\frac{2}{3}+o(1), y\rightarrow 0^+

进而Laplace方法可得

n∫0∞e−ny(1+1x)dy=n∫0∞e−ny(22y+23)dy+o(1)=2π2n+23+o(1),n→∞n\int_{0}^\infty e^{-ny}\left( 1+\frac{1}{x} \right)dy=n\int_{0}^\infty e^{-ny}\left( \frac{\sqrt{ 2 }}{2\sqrt{ y }}+\frac{2}{3} \right)dy+o(1) \\ =\frac{\sqrt{ 2\pi }}{2}\sqrt{ n }+\frac{2}{3}+o(1),n\rightarrow \infty

所以

lim⁡n→∞(πn2−∑k=0∞n!(n−k)!nk)=−23\lim_{ n \to \infty }\left(\sqrt{ \frac{\pi n}{2} }-\sum _{k=0}^\infty \frac{n!}{(n-k)!n^k}\right)=-\frac{2}{3}

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利用反演定理求极限
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作者
冰华Huloud
发布于
2026-03-15
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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