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Calculus · real student question

求 1/Γ(3/5) 乘以 n 从 1 到无穷的 (1/10) 的 (8n/5 + 1) 次方除以 Γ(8n/5 + 1) 之和,保留六位有效数字。

Question

求 1Γ(35)∑n=1∞(110)85n+1Γ(85n+1)\frac{1}{\Gamma\left(\frac{3}{5}\right)}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\left(\frac{1}{10}\right)^{\frac{8}{5}n+1}}{\Gamma\left(\frac{8}{5}n+1\right)} 的值,保留六位有效数字。

Step-by-step solution

  1. 先认出级数的形状。 通项 zαn+1Γ(αn+1)\dfrac{z^{\alpha n+1}}{\Gamma(\alpha n+1)}(其中 z=110z=\tfrac{1}{10}、α=85\alpha=\tfrac85)是 Mittag-Leffler 型的。它没有初等闭式,所以实用的路线是数值求和——而且因为 z<1z<1、Γ(αn+1)\Gamma(\alpha n+1) 又是超指数增长,真正有分量的只有寥寥几项。

  2. 算 n=1n=1 那一项。 指数是 85(1)+1=2.6\tfrac85(1)+1=2.6,所以该项为 10−2.6Γ(2.6)=2.511886×10−31.4296246=1.757025×10−3\dfrac{10^{-2.6}}{\Gamma(2.6)}=\dfrac{2.511886\times10^{-3}}{1.4296246}=1.757025\times10^{-3}。

  3. 算 n=2n=2 和 n=3n=3 两项。 n=2n=2 时指数是 4.24.2:10−4.2Γ(4.2)=6.309573×10−57.7566895=8.134364×10−6\dfrac{10^{-4.2}}{\Gamma(4.2)}=\dfrac{6.309573\times10^{-5}}{7.7566895}=8.134364\times10^{-6}。n=3n=3 时指数是 5.85.8:10−5.8Γ(5.8)=1.584893×10−685.621738=1.851041×10−8\dfrac{10^{-5.8}}{\Gamma(5.8)}=\dfrac{1.584893\times10^{-6}}{85.621738}=1.851041\times10^{-8}。

  4. 确认尾项可以忽略。 n=4n=4 那项是 2.58×10−112.58\times10^{-11},n=5n=5 那项是 2.48×10−142.48\times10^{-14};每往后一项大约掉两到三个数量级。所以在 n=3n=3 之后截断,精度远远超过六位有效数字:∑n=1∞10−(1.6n+1)Γ(1.6n+1)=1.765178×10−3.\sum_{n=1}^{\infty}\frac{10^{-(1.6n+1)}}{\Gamma(1.6n+1)}=1.765178\times10^{-3}.

  5. 除以 Γ(3/5)\Gamma(3/5)。 取 Γ(0.6)=1.4891922\Gamma(0.6)=1.4891922,1.765178×10−31.4891922=1.185326×10−3.\frac{1.765178\times10^{-3}}{1.4891922}=1.185326\times10^{-3}.

  6. 写出结果。 整个表达式保留六位有效数字是 0.001185320.00118532;单是 n=1n=1 那一项就已经贡献了其中的 99.5%。

Answer

1Γ(35)∑n=1∞(110)85n+1Γ(85n+1)≈0.00118533\frac{1}{\Gamma\left(\frac{3}{5}\right)}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\left(\frac{1}{10}\right)^{\frac{8}{5}n+1}}{\Gamma\left(\frac{8}{5}n+1\right)}\approx 0.00118533

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