数列的几何意义
两个简单的中学问题:
1.从1到10十个数加起来等于多少?
高斯说等于55(这个梗,大家都知道就不普及了)
2.从0到10所有数加起来等于多少?
我听过好多答案,无穷大,50,无解
几何映射
在坐标上作函数f(x)=x直线,也即45度斜线。
在x轴上,任意一个数a,对应y轴一个a值,对应一段长度为a的线段。这样从0到10所有数值相加,等于函数f(x)与x轴在0到10之间所对应的线段之和,也即等于其组成的三角形面积。
高斯说从1到10之间,十个整数相加都55。
从0到10所有数字相加和居然为50。
这不是部分和大于整体和了?
先不要着急,接着往下走,数列的几何意义。
数列几何解法
在坐标上作函数f(x)=x直线,也即45度斜线。在x轴上以自然数取值,在函数上取值,并在f(n)与f(n+1)作相应矩形。
本例中从1到10十个数相加等于10个矩形之和,也即等于大三角形与10个小三角形之和。
数列求和的一般几何解法
作数列通项公式函数f(x) 图像,以x轴自然数作矩形框,这样数列每一项对应一个等效面积的矩形框。所有矩形方框的面积即为数列和。
假设通项公式a_n=f(x),函数f(x)的积分函数为F(x)。函数前n项和实际上是黎曼积分的特殊形式
上述公式中b=n,a=0的特殊情况
根据通项公式函数积分求解数列和直接近视误差太大,每一项差一个三角形面积。
第n项三角形面积
前n项三角形面积和
数列前n项和,等于通项公式函数与x轴围成的面积与前n项三角形面积的和。
调和级数的几何解法
调和级数
通项公式a_n=1/n,作对应函数f(x)=1/x (1≪x≪n+1),分别在x轴上找正整数1到n+1,间做宽度为1的矩形,如下图。
那么,矩形面积S_1=f(1)∗1=a_1 ,同理S_n=a_n。这样调和级数s_n等于所有矩形框面积之和。同时调和级数s_n等于f(x)曲线与x轴围成的面积与蓝色小三角形面积之和。
那么调和级数
由此可推出,欧拉常数γ等于蓝色小三角面积之和,也即γ=s_∆
欧拉常数γ的几何意义
欧拉常数γ等于下图蓝色小三角面积之和,也即γ=s_∆
单个蓝色小三角形面积
小三角形面积最大s_∆1=1-ln(2)
作对应函数f(x)=1/(x-1) (2≪x≪n+1), 如上图红线。与矩形框围成的红色小三角形面积为s_∇单个红色小三角形面积
任一组红三角形面积与蓝三角形面积之和 s_∆n+s_∇n=f(n)-f(n+1)=1/(n(n+1))
所有的红三角形面积与蓝三角形面积之和 s_∆+s_∇=1
红三角形面积和 s_∇=1-γ
所以欧拉常数γ 实际上是,f(x)=1/x割矩形框高(f(n+1)-f(n))*宽(1)的所有曲边三角形面积和。
如果曲线割方面积有新的解法,欧拉常数γ会有新的更精确的公式解法。否则最精确的几何解法还是
思考
1.为啥x轴取值不是0到n,而是1到n+1?
2.为啥不是ln(n)而是ln(n+1)?
感谢大家看完,希望有所启发,欢迎大家积极留言。
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