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Weekly Problems

每周一题

先自己想,卡住了再一层层展开提示。

分析 · ★★★

Dirichlet 积分

证明 \[\int_0^{\infty}\frac{\sin x}{x}\,dx=\frac{\pi}{2}.\]

提示 1
考虑含参积分 \(I(t)=\int_0^\infty \frac{\sin x}{x}e^{-tx}\,dx\),对 \(t\) 求导。
提示 2
\(I'(t)=-\int_0^\infty e^{-tx}\sin x\,dx=-\frac{1}{1+t^2}\),且 \(I(\infty)=0\)。
解答
于是 \(I(t)=\frac{\pi}{2}-\arctan t\),令 \(t\to0^+\)(需论证一致收敛以交换极限与积分)即得 \(I(0)=\frac{\pi}{2}\)。另一种方法:在复平面上对 \(\frac{e^{iz}}{z}\) 沿带缺口的上半圆周积分,用 Jordan 引理。
级数 · ★★★★

Basel 问题

证明 \[\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}=\frac{\pi^2}{6}.\]

提示 1
在 \([-\pi,\pi]\) 上将 \(f(x)=x^2\) 展开为傅里叶级数(见实验 03)。
提示 2
\(x^2=\frac{\pi^2}{3}+4\sum_{n\ge1}\frac{(-1)^n}{n^2}\cos nx\),代入 \(x=\pi\)。
解答
令 \(x=\pi\):\(\pi^2=\frac{\pi^2}{3}+4\sum\frac1{n^2}\),故 \(\zeta(2)=\frac{\pi^2}{6}\)。欧拉最初的“证明”是比较 \(\frac{\sin x}{x}=\prod_{n}\left(1-\frac{x^2}{n^2\pi^2}\right)\) 与泰勒级数中 \(x^2\) 的系数 —— 后来由 Weierstrass 分解定理严格化。
线性代数 · ★★★

斐波那契的闭式

设 \(F_{n+2}=F_{n+1}+F_n\),\(F_0=0,F_1=1\)。利用 \(A=\begin{pmatrix}1&1\\1&0\end{pmatrix}\) 的对角化求出 \(F_n\) 的通项。

提示
\(\begin{pmatrix}F_{n+1}\\F_n\end{pmatrix}=A^n\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}\),特征值满足 \(\lambda^2=\lambda+1\)。在实验 07 中选“斐波那契”看看它的特征向量!
解答
\(\varphi=\frac{1+\sqrt5}{2},\ \psi=\frac{1-\sqrt5}{2}\),得 Binet 公式 \[F_n=\frac{\varphi^n-\psi^n}{\sqrt5}.\]