概率论中,积分和再求导的计算方法

为了求解级数 1 + 2 2 q + 3 2 q 2 + … 1 + 2^2q + 3^2q^2 + \ldots 1+22q+32q2+ 的和,可以使用积分再求导的方法。我们考虑如下步骤:

1. 定义函数并进行积分

我们先定义一个函数 S ( q ) S(q) S(q)

S ( q ) = ∑ n = 1 ∞ n 2 q n − 1 S(q) = \sum_{n=1}^{\infty} n^2 q^{n-1} S(q)=n=1n2qn1

注意,这个函数从 n = 1 n=1 n=1 开始,我们对其积分:

∫ S ( q ) d q = ∫ ∑ n = 1 ∞ n 2 q n − 1 d q \int S(q) \, dq = \int \sum_{n=1}^{\infty} n^2 q^{n-1} \, dq S(q)dq=n=1n2qn1dq

将积分和求和交换:

∫ S ( q ) d q = ∑ n = 1 ∞ n 2 ∫ q n − 1 d q \int S(q) \, dq = \sum_{n=1}^{\infty} n^2 \int q^{n-1} \, dq S(q)dq=n=1n2qn1dq

积分结果为:

∫ q n − 1 d q = q n n \int q^{n-1} \, dq = \frac{q^n}{n} qn1dq=nqn

因此,

∫ S ( q ) d q = ∑ n = 1 ∞ n 2 q n n = ∑ n = 1 ∞ n q n \int S(q) \, dq = \sum_{n=1}^{\infty} n^2 \frac{q^n}{n} = \sum_{n=1}^{\infty} n q^n S(q)dq=n=1n2nqn=n=1nqn

2. 求和并再积分

我们知道,

∑ n = 1 ∞ n q n = q ∑ n = 1 ∞ n q n − 1 \sum_{n=1}^{\infty} n q^n = q \sum_{n=1}^{\infty} n q^{n-1} n=1nqn=qn=1nqn1

后者是几何级数的导数,几何级数为:

∑ n = 0 ∞ q n = 1 1 − q \sum_{n=0}^{\infty} q^n = \frac{1}{1-q} n=0qn=1q1

对几何级数求导:

∑ n = 1 ∞ n q n − 1 = 1 ( 1 − q ) 2 \sum_{n=1}^{\infty} n q^{n-1} = \frac{1}{(1-q)^2} n=1nqn1=(1q)21

所以,

∑ n = 1 ∞ n q n = q ⋅ 1 ( 1 − q ) 2 = q ( 1 − q ) 2 \sum_{n=1}^{\infty} n q^n = q \cdot \frac{1}{(1-q)^2} = \frac{q}{(1-q)^2} n=1nqn=q(1q)21=(1q)2q

现在,我们再对这个结果进行积分:

∫ q ( 1 − q ) 2 d q \int \frac{q}{(1-q)^2} \, dq (1q)2qdq

u = 1 − q u = 1 - q u=1q,则 d u = − d q du = -dq du=dq,积分变为:

∫ 1 − u u 2 ⋅ ( − d u ) = ∫ u − 1 u 2 d u = ∫ ( 1 u − 1 u 2 ) d u \int \frac{1-u}{u^2} \cdot (-du) = \int \frac{u-1}{u^2} \, du = \int \left(\frac{1}{u} - \frac{1}{u^2}\right) \, du u21u(du)=u2u1du=(u1u21)du

积分结果为:

ln ⁡ ∣ u ∣ + 1 u = ln ⁡ ∣ 1 − q ∣ + 1 1 − q \ln|u| + \frac{1}{u} = \ln|1-q| + \frac{1}{1-q} lnu+u1=ln∣1q+1q1

3. 对积分结果求导

现在我们对这个积分结果再求导:

d d q ( ln ⁡ ∣ 1 − q ∣ + 1 1 − q ) = − 1 1 − q + 1 ( 1 − q ) 2 \frac{d}{dq} \left( \ln|1-q| + \frac{1}{1-q} \right) = -\frac{1}{1-q} + \frac{1}{(1-q)^2} dqd(ln∣1q+1q1)=1q1+(1q)21

化简为:

1 − ( 1 − q ) ( 1 − q ) 2 = q ( 1 − q ) 2 \frac{1 - (1-q)}{(1-q)^2} = \frac{q}{(1-q)^2} (1q)21(1q)=(1q)2q

所以,最终的和为:

q ( 1 − q ) 3 \boxed{\frac{q}{(1-q)^3}} (1q)3q

这是级数 1 + 2 2 q + 3 2 q 2 + … 1 + 2^2 q + 3^2 q^2 + \ldots 1+22q+32q2+ 的和。

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