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自然對數 2


2 的自然對數是一個超越量,常出現在衰減問題中,尤其是在半衰期轉換為衰減常數時。 ln2 的數值為

 ln2=0.69314718055994530941...
(1)

(OEIS A002162)。

無理數測度 ln2 已知小於 3.8913998 (Rukhadze 1987, Hata 1990)。

尚不清楚 ln2 是否為正規數 (Bailey and Crandall 2002)。

交錯級數BBP 型公式

 eta(1)=sum_(k=1)^infty((-1)^(k-1))/k=ln2
(2)

收斂到自然對數 2,其中 eta(x)狄利克雷 eta 函式。這個恆等式直接從在 墨卡託級數中設定 x=1 得出,得到

 ln2=sum_(k=1)^infty((-1)^(k+1))/k.
(3)

它也是恆等式的一個特例

 1/nsum_(k=1)^n(-1)^(k-1)n/k=ln2-(-1)^nPhi(-1,1,n+1),
(4)

其中 Phi(z,s,a)勒奇超越函式

這是此類無限類恆等式中最簡單的一個,前幾個是

ln2=sum_(k=0)^(infty)(-1)^k(1/(3k+1)-1/(3k+2)+1/(3k+3))
(5)
=sum_(k=0)^(infty)(-1)^k(1/(5k+1)-1/(5k+2)+1/(5k+3)-1/(5k+4)+1/(5k+5))
(6)

(E. W. Weisstein, 10 月 7 日,2007 年)。

還有許多其他類別的 BBP 型公式 用於 ln2,包括

ln2=1/3sum_(k=0)^(infty)1/((-27)^k)(3/(6k+1)-2/(6k+3)-1/(6k+4))
(7)
=1/6sum_(k=0)^(infty)1/((-27)^k)(-3/(6k+1)+9/(6k+2)+8/(6k+3)+1/(6k+4)-1/(6k+5))
(8)
=sum_(k=0)^(infty)1/((-19683)^k)((2187)/(18k+1)-(1458)/(18k+3)-(729)/(18k+4)-(81)/(18k+7)+(54)/(18k+9)+(27)/(18k+10)+3/(18k+13)-2/(18k+15)-1/(18k+16))
(9)
=1/2sum_(k=0)^(infty)1/((-4)^k)(2/(4k+1)-1/(4k+3)-1/(4k+4))
(10)
=1/8sum_(k=0)^(infty)1/((-8)^k)(8/(3k+1)-4/(3k+2)-1/(3k+3)).
(11)

Plouffe (2006) 發現了美麗的求和公式

 ln2=10sum_(n=1)^infty1/(n(e^(pin)+1))+6sum_(n=1)^infty1/(n(e^(pin)-1)) 
 -4sum_(n=1)^infty1/(n(e^(2pin)+1)).
(12)

A. Lupas 提出的快速收斂的 Zeilberger 型求和公式由下式給出

 ln2=3/4-1/8sum_(n=1)^infty(2n; n)((-1)^(n-1)(5n+1))/(16^nn(n+1/2))
(13)

(Lupas 2000;勘誤已更正)。

以下積分以 ln2 表示,

 int_2^infty(dx)/(xln^2x)=1/(ln2).
(14)
NaturalLogOf2

上面的圖顯示了截斷 ln2n 項後的級數的結果。

取部分級數給出解析結果

sum_(k=1)^(N)((-1)^(k+1))/k=ln2+1/2(-1)^N[psi_0(1/2(N+1))-psi_0(1+1/2N)]
(15)
=ln2+1/2(-1)^N[H_((N-1)/2)-H_(N/2)],
(16)

其中 psi_0(z)雙伽瑪函式H_n調和數。令人驚訝的是,在無窮遠處展開得到級數

 sum_(k=1)^N((-1)^(k+1))/k=ln2+(-1)^N[1/(2N)+sum_(k=0)^infty((-1)^kT_k)/(4^kN^(2k))]
(17)

(Borwein 和 Bailey 2002, p. 50),其中 T_n正切數。這意味著在 10 的較大冪的一半處截斷 ln2 的級數可以給出 ln2 的十進位制展開式,其十進位制數字大部分是正確的,但錯誤數字以精確的規律出現。

Ln2TangentNumbers

例如,取 N=5×10^6 得到一個十進位制值,該值等於上面第二行數字,其中與頂行中 ln2 的十進位制數字的差異序列恰好是帶有交替符號的正切數 (Borwein 和 Bailey 2002, p. 49)。

用於 ln2 的漂亮的 BBP 型公式 由下式給出

ln2=1/2sum_(k=0)^(infty)1/(2^k)1/(k+1)
(18)
=sum_(k=1)^(infty)1/(k·2^k)
(19)

(Bailey et al. 2007, p. 31) 和

 ln2=2/3sum_(k=0)^infty1/(9^k(2k+1))
(20)

(Borwein 和 Bailey 2002, p. 129)。

使用 PSLQ 演算法 發現的用於 (ln2)^2BBP 型公式

 (ln2)^2=1/(32)sum_(k=0)^infty1/(64^k)[(64)/((6k+1)^2)-(160)/((6k+2)^2)-(56)/((6k+3)^2)-(40)/((6k+4)^2)+4/((6k+5)^2)-1/((6k+6)^2)]
(21)

(Bailey 和 Plouffe 1997;Borwein 和 Bailey 2002, p. 128)。

求和

 sum_(k=2^n)^(2^(n+1)-1)1/k=psi_0(2^(n+1))-psi_0(2^n)
(22)

具有極限

 lim_(n->infty)sum_(k=2^n)^(2^(n+1)-1)1/k=ln2
(23)

(Borwein et al. 2004, p. 10)。


另請參閱

交錯調和級數, 狄利克雷 Eta 函式, 墨卡託級數, 自然對數, 自然對數 2 連分數, 自然對數 2 數字, q-調和級數

使用 探索

參考文獻

Bailey, D. H.; Borwein, J. M.; Calkin, N. J.; Girgensohn, R.; Luke, D. R.; 和 Moll, V. H. "整數關係檢測。" §2.2 in 行動中的實驗數學。 Wellesley, MA: A K Peters, pp. 29-31, 2007.Bailey, D. H.; Borwein, P. B.; 和 Plouffe, S. "關於各種多對數常數的快速計算。" Math. Comput. 66, 903-913, 1997.Bailey, D. H. 和 Crandall, R. E. "隨機生成器和正規數。" Exper. Math. 11, 527-546, 2002.Bailey, D. 和 Plouffe, S. "識別數值常數。" 有機數學。1995 年 12 月 12-14 日在加拿大不列顛哥倫比亞省伯納比舉行的研討會論文集 (Ed. J. Borwein, P. Borwein, L. Jörgenson, 和 R. Corless). Providence, RI: Amer. Math. Soc., pp. 73-88, 1997. http://www.cecm.sfu.ca/organics/papers/bailey/.Borwein, J. 和 Bailey, D. 實驗數學:21 世紀的合理推理。 Wellesley, MA: A K Peters, 2003.Borwein, J.; Bailey, D.; 和 Girgensohn, R. 數學實驗:發現的計算路徑。 Wellesley, MA: A K Peters, 2004.Gourdon, X. 和 Sebah, P. "常數 ln2。" http://numbers.computation.free.fr/Constants/Log2/log2.html.Hata, M. "勒讓德型多項式和無理數測度。" J. reine angew. Math. 407, 99-125, 1990.Huylebrouck, D. "π, pi, ln2, zeta(2)zeta(3) 的無理數證明的相似性。" Amer. Math. Monthly 108, 222-231, 2001.Lupas, A. "一些經典常數的公式。" In ROGER-2000 會議論文集。 2000. http://www.lacim.uqam.ca/~plouffe/articles/alupas1.pdf.Plouffe, S. "靈感來自拉馬努金筆記本的恆等式(第 2 部分)。" Apr. 2006. http://www.lacim.uqam.ca/~plouffe/inspired2.pdf.Rukhadze, E. A. "有理數對 ln2 的有理逼近的下界。" Vestnik Moskov Univ. Ser. I Math. Mekh., No. 6, 25-29 和 97, 1987. [俄文].Sloane, N. J. A. 序列 A002162/M4074, A016730, 和 A059180 在 "整數序列線上百科全書" 中。Sweeney, D. W. "關於尤拉常數的計算。" Math. Comput. 17, 170-178, 1963.Uhler, H. S. "2、3、5、7 和 17 的模數和對數的重新計算和擴充套件。" Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 26, 205-212, 1940.

請引用為

Weisstein, Eric W. "自然對數 2。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/NaturalLogarithmof2.html

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