马斯克|调和级数——自然真理是如何隐藏在数字中的,永远不要相信直觉
如果你看看下面的表达式:
你可能会想知道,一直加下去会得到怎样的结果 。后面的数字不断变小,直到它可以忽略不计 。你可能想知道它是否仍然对总和有贡献 。
这个表达式被称为 "调和级数" 。N项调和级数的值是1到N倒数的和 。
前五项(N=5)是:
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那么,前100项、前1000项、前100万项、前100亿项是多少?它们是否收敛于一个值?
让我们来计算这些:
- N = 5 → 2.28333...
- N = 10 → 2.92897...
- N = 100 → 5.18738...
- N = 1000 → 7.48547...
- N = 1000000 → 16.69531...
- N = 1000000000 → 21.30048...
由此可见,调和级数增长得非常慢,在10亿次之后,只能达到21.3004,之后增长速度越来越慢 。它实际上需要:
15092688622113788323693563264538101449859497项才能超过100 。那么,它最终会去哪里?它是 "停 "在某个具体的值上,还是继续增长?
让我们看看其他级数是否会收敛到某个数值上 。例如,让我们看一下平方的倒数:
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我且称它为 "平方级数",它其实没有官方的名字 。事实上,这个级数确实收敛,收敛到(π^2)/6(=1.644934) 。
这被称为 "巴塞尔问题",它确立了莱昂哈德-欧拉在数学界的地位,因为他用非常简洁的方法解决了这个问题 。
你可能会对 "π"的出现感到惊讶 。这里出现的π^2有很多 "原因",没有单一的答案 。这更像是说水为什么是蓝色的 。水首先不是蓝色的,天空是蓝色的,这本身与你自己的眼睛有很大关系,也与复杂的电磁力和其他物理学有很大关系 。
归根结底,所有这些都与宇宙的真理相联系,但有几种方法可以将这些真理连接成一个解释 。基本上,一个 "无限长的线 "的问题可以被转换为一个 "无限大的圆 "的问题 。虽然圆的长度和直径变得无限大,但它们的比率保持不变:π 。
“平方级数” :
趋近于 "某数 "的原因是相当容易理解的,不需要借助于一些更复杂的力学 。
我们看看另一个级数:
其中分母按照1,2,6,12,20,......的顺序排列,即:
并注意两个事实:
- 首先,它比平方级数大,因为平方级数的分母总是更大,所以倒数之和更小 。
- 第二,你可以把这个级数改写:
现在,只要消去这些项,你就会看到这个最终变成了2 。
因此,通过结合上面的两个事实,你可以确定 "平方级数 "是比2小的正数 。这意味着它(平方级数)收敛到比2小的数值上 。
现在,让我们在调和级数上尝试同样的方法 。我们先把它改写为:
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括号内的每项都大于等于1/2 。所以,整个级数比(1/2)n要大,当n无穷大时,级数也是无穷大的 。
由于调和级数以1/N的速度增长,这让人很容易想起自然对数函数,它也是以1/x的速度增长(这个速度随着x越来越大而不断减慢) 。
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- 对数函数
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