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自然对数 2


2 的自然对数是一个超越量,常出现在衰减问题中,尤其是在半衰期转换为衰减常数时。 ln2 的数值为

 ln2=0.69314718055994530941...
(1)

(OEIS A002162)。

无理数测度 ln2 已知小于 3.8913998 (Rukhadze 1987, Hata 1990)。

尚不清楚 ln2 是否为正规数 (Bailey and Crandall 2002)。

交错级数BBP 型公式

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

收敛到自然对数 2,其中 eta(x)狄利克雷 eta 函数。这个恒等式直接从在 墨卡托级数中设置 x=1 得出,得到

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

它也是恒等式的一个特例

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

其中 Phi(z,s,a)勒奇超越函数

这是此类无限类恒等式中最简单的一个,前几个是

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)。

还有许多其他类别的 BBP 型公式 用于 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) 发现了美丽的求和公式

 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 提出的快速收敛的 Zeilberger 型求和公式由下式给出

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

(Lupas 2000;勘误已更正)。

以下积分以 ln2 表示,

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

上面的图显示了截断 ln2n 项后的级数的结果。

取部分级数给出解析结果

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)双伽玛函数H_n调和数。令人惊讶的是,在无穷远处展开得到级数

 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正切数。这意味着在 10 的较大幂的一半处截断 ln2 的级数可以给出 ln2 的十进制展开式,其十进制数字大部分是正确的,但错误数字以精确的规律出现。

Ln2TangentNumbers

例如,取 N=5×10^6 得到一个十进制值,该值等于上面第二行数字,其中与顶行中 ln2 的十进制数字的差异序列恰好是带有交替符号的正切数 (Borwein 和 Bailey 2002, p. 49)。

用于 ln2 的漂亮的 BBP 型公式 由下式给出

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 算法 发现的用于 (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)

具有极限

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

(Borwein et al. 2004, p. 10)。


另请参阅

交错调和级数, 狄利克雷 Eta 函数, 墨卡托级数, 自然对数, 自然对数 2 连分数, 自然对数 2 数字, q-调和级数

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参考文献

Bailey, D. H.; Borwein, J. M.; Calkin, N. J.; Girgensohn, R.; Luke, D. R.; 和 Moll, V. H. "整数关系检测。" §2.2 in 行动中的实验数学。 Wellesley, MA: A K Peters, pp. 29-31, 2007.Bailey, D. H.; Borwein, P. B.; 和 Plouffe, S. "关于各种多对数常数的快速计算。" Math. Comput. 66, 903-913, 1997.Bailey, D. H. 和 Crandall, R. E. "随机生成器和正规数。" Exper. Math. 11, 527-546, 2002.Bailey, D. 和 Plouffe, S. "识别数值常数。" 有机数学。1995 年 12 月 12-14 日在加拿大不列颠哥伦比亚省伯纳比举行的研讨会论文集 (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. 实验数学:21 世纪的合理推理。 Wellesley, MA: A K Peters, 2003.Borwein, J.; Bailey, D.; 和 Girgensohn, R. 数学实验:发现的计算路径。 Wellesley, MA: A K Peters, 2004.Gourdon, X. 和 Sebah, P. "常数 ln2。" http://numbers.computation.free.fr/Constants/Log2/log2.html.Hata, M. "勒让德型多项式和无理数测度。" J. reine angew. Math. 407, 99-125, 1990.Huylebrouck, D. "π, pi, ln2, zeta(2)zeta(3) 的无理数证明的相似性。" Amer. Math. Monthly 108, 222-231, 2001.Lupas, A. "一些经典常数的公式。" In ROGER-2000 会议论文集。 2000. http://www.lacim.uqam.ca/~plouffe/articles/alupas1.pdf.Plouffe, S. "灵感来自拉马努金笔记本的恒等式(第 2 部分)。" Apr. 2006. http://www.lacim.uqam.ca/~plouffe/inspired2.pdf.Rukhadze, E. A. "有理数对 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 "整数序列在线百科全书" 中。Sweeney, D. W. "关于欧拉常数的计算。" Math. Comput. 17, 170-178, 1963.Uhler, H. S. "2、3、5、7 和 17 的模数和对数的重新计算和扩展。" Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 26, 205-212, 1940.

请引用为

Weisstein, Eric W. "自然对数 2。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/NaturalLogarithmof2.html

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