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  题:计算极限$\;\;\displaystyle{\;\lim_{n\to\infty}\frac{1^n+2^n+\cdots+n^n}{n^n}}$fy;_s|



发贴时间2017/09/11 10:57am IP: 已设置保密[本文共106字节]  
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  题:计算极限$\;\;\displaystyle{\underset{\,}{\;\lim_{n\to\infty}}\frac{1^n+2^n+\cdots+n^n}{n^n}}$6LYbU
解:令$\displaystyle{\;R_n := \small\frac{1^n+2^n+\cdots+n^n}{n^n}=\sum_{k=0}^{n-1}\frac{(n-k)^n}{n^n} = \sum_{k=0}^{n}\big(1-\frac{k}{n}\big)^n}\quad(1)$]C("*3
$\qquad$由Taylor定理,9}:
$\underset{\,}{\qquad} f(x):=e^x-(1+x) = {\large\frac{x^2}{2}}f\,''(x\theta)={\large\frac{x^2}{2}}e^{\theta x}>0\;{\small(x\ne 0<\theta<1)}$,k:7
$\underset{\,}{\therefore}\quad 1-\frac{k}{n}< e^{-\frac{k}{n}},\quad \big(1-\frac{k}{n}\big)^n < e^{-k}\;\;\small(k\le n)$%h$[9f
$\qquad$故对$\,m< n,\;$有$\,\small\displaystyle{\;\sum_{k=0}^m\big(1-\frac{k}{n}\big)^n < R_n < \sum_{k=0}^{\infty}e^{-k}=\underset{\,}{\frac{e}{e-1}}}\qquad\quad(2)$4`'imC
$\qquad$令$\,n\to\infty\,$得$\quad\small\displaystyle{\sum_{k=0}^m e^{-k}\le\lim_{\overline{n\to\infty}}R_n\le \overline{\lim_{n\to\infty}}R_n\le\underset{\,}{\frac{e}{e-1}}}.\;$再令$\;m\to\infty$@JwkX
$\qquad$即得$\displaystyle{\;\;\small\lim_{n\to\infty}\frac{1^n+2^n+\cdots+n^n}{n^n}=\frac{e}{e-1}}=1.5819767068693\ldots\;\;\square$7tr



发贴时间2017/09/11 00:27pm IP: 已设置保密[本文共1113字节]  
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  数值计算 $\displaystyle{R_n=\small\frac{1^n+2^n+\cdots+n^n}{n^n}}$ 颇具挑战性. ($n^n$ 增长极快!) n\M
用Mathematica 直接计算,当$\,n\underset{\,}{>}10^6\,$时开始很辛苦,很快就变得几乎不可能. qUI
为此作以下估算:对正整数$\underset{\,}{\,}d,\,m,\,n\,(n>m)\,$为使?Ipuz
$\displaystyle{\underset{\,}{\small\sum_{k=1}^{n-m}}{\small\frac{k^n}{n^n}=\sum_{k=m}^{n-1}\big(1-\frac{k}{n}\big)^n< \sum_{k=m}^{\infty}e^{-k}=\frac{e}{e-1}e^{-m}}< 10^{-d}},\;$只需$\;\ln\big({\large\frac{e}{e-1}}10^d\big)< m.$X3&
举例说来,对$\,d=73,\,$有$\,m> 168.547\ldots$ 于是有(P
$\displaystyle{0< {\small\frac{1^n+\cdots+n^n}{n^n}-\sum_{k=0}^{169}\big(\frac{n-k}{n}\big)^n }< 10^{-73}\;(n > 169)}.\;$即只需计算$\,169\,$项和,iBEU
就可得到误差小于$\,10^{-73}\,$的所求比值. 以下用 GP/Pari来践行我们的分析:

CZ%(fl
$\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad$GP/PARI CALCULATOR Version 2.9.2 (released)T%
............-
$\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\quad$Copyright (C) 2000-2017 The PARI Groupo\;wA
©Elinkage数学论坛 -- Elinkage极酷超级论坛  }|
PARI/GP is free software, covered by the GNU General Public License, and comesz9Gt
WITHOUT ANY WARRANTY WHATSOEVER.1t(R
©Elinkage数学论坛 -- Elinkage极酷超级论坛  kXU#
(10:05) gp > \p 7285/|
  realprecision = 77 significant digits (72 digits displayed)>p:
(10:05) gp > sm(n,m) =d
{ my(s=1);5?
 for(j=1,m,ulj
   s += exp(n*log((n-j)/n))W;|G
 );i?)
 return(s);<SUT
}©Elinkage数学论坛 -- Elinkage极酷超级论坛  S
(10:06) gp > v = 1/(1-exp(-1))$u#zO
%2 = 1.58197670686932642438500200510901155854686930107539613626678705964804382lV!
(10:07) gp > sm(1000000,169)M<u
%3 = 1.581975710722941106579808813264252918631354282132156325467311559796764453Uc^s
(10:07) gp > sm(10^80,169)\`:dwK
%4 = 1.58197670686932642438500200510901155854686930107539613626678705964804382{5hL'V
(10:07) gp > sm(10^70,169)phl3)T
%5 = 1.58197670686932642438500200510901155854686930107539613626678705964804372}
(10:07) gp > sm(10^60,169)8k))zI
%6 = 1.58197670686932642438500200510901155854686930107539613626678606350066025GY(
(10:07) gp > sm(10^50,169)7,C(
%7 = 1.58197670686932642438500200510901155854686930107538617479295143471107919q =)7
(10:07) gp > sm(10^40,169)@
%8 = 1.58197670686932642438500200510901155854676968633703988689714075881739371ng
(10:07) gp > sm(10^30,169)O1Dtv
%9 = 1.58197670686932642438500200510801541116330680737893312796028699919981775T
(10:07) gp > sm(10^20,169)j!
%10= 1.58197670686932642437504053127338662158233904257934893714275487447672291l
(10:07) gp > sm(10^10,169)aEoQ
%11= 1.58197670676971168603873509235804837780261504742119104113010901864482951|56-K
(10:07) gp > sm(10^72,169)zw
%12= 1.58197670686932642438500200510901155854686930107539613626678705964804382

<r}
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用蓝色标示计算结果与极值的吻合部分. 我们看到$\,n\,$为一百万只能得到小数点后d
五位的准确度. 另一方面, 虽然需要$\,n=10^{72}\,$才能得到所欲的精度,却只要计算5I
$\,169\,$项. 并且完全避免了$(10^{72})^{10^{72}}$之类疯狂的取幂运算. 以至全部计算时间几乎=p|p
可以不计.K?]



发贴时间2017/09/16 03:22am IP: 已设置保密[本文共3298字节]  

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