Mathematics · Boek 4 · Bachelor Year 2

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2 · Bachelor Year 2

6Vergelijking van functies

De asymptotische analyse — de kunst om een ingewikkelde grootheid te vervangen door een eenvoudige plus een beheerste fout — begon in het volume van bachelorjaar 1 met taylorontwikkelingen. Dit hoofdstuk maakt er een vak op zich van: ontwikkelingen langs algemene schalen, de vergelijking van reeks en integraal met haar volle asymptotische kracht, de formule van Stirling (volledig bewezen), en de systematische studie van impliciet gedefinieerde rijen. Deze technieken zijn het dagelijks brood van de asymptotische analyse, en elk later hoofdstuk dat iets schat — reeksen, integralen, kansen — eet mee aan deze tafel.

6.1 Vergelijkingsrelaties en schalen

Definitie 6.1

Bij een punt aa (a∈Ra \in \R of ±∞\pm\infty), voor functies (of voor rijen, met n→∞n \to \infty): f=o(g)f = o(g), f=O(g)f = O(g) en f∼gf \sim g als in het volume van bachelorjaar 1. Een vergelijkingsschaal bij aa is een familie positieve functies die paarsgewijs vergelijkbaar zijn en door o(⋅)o(\cdot) totaal geordend worden — de standaardschaal bij +∞+\infty is

xα(ln⁡x)β(α,β∈R),x^{\alpha} (\ln x)^{\beta} \qquad (\alpha, \beta \in \R),

lexicografisch geordend naar (α,β)(\alpha, \beta), en zo nodig verfijnd met exponentiëlen eγx\eu^{\gamma x}.

Definitie 6.2 (Asymptotische ontwikkeling)

ff heeft de asymptotische ontwikkeling

f=c1φ1+c2φ2+⋯+ckφk+o(φk)(φi+1=o(φi) in de schaal)f = c_1 \varphi_1 + c_2\varphi_2 + \dots + c_k \varphi_k + o(\varphi_k) \qquad (\varphi_{i+1} = o(\varphi_i) \text{ in de schaal})

wanneer de opeenvolgende resttermen aan de aangegeven schattingen voldoen. De coëfficiënten liggen dan vast: c1=lim⁡f/φ1c_1 = \lim f/\varphi_1, en inductief ci+1=lim⁡ (f−∑j≤icjφj)/φi+1c_{i+1} = \lim\,(f - \sum_{j \leq i} c_j\varphi_j)/\varphi_{i+1}.

Voorbeeld 6.3

Taylorontwikkelingen zijn asymptotische ontwikkelingen langs de schaal (x−a)k(x - a)^k bij aa. Maar het begrip is strikt ruimer: bij +∞+\infty geldt

1x−ln⁡x=1x⋅11−ln⁡xx=1x+ln⁡xx2+o(ln⁡xx2),\frac{1}{x - \ln x} = \frac1x \cdot \frac{1}{1 - \frac{\ln x}{x}} = \frac1x + \frac{\ln x}{x^2} + o\Bigl(\frac{\ln x}{x^2}\Bigr),

een ontwikkeling langs de gemengde schaal — geen enkele stelling van Taylor is hier van toepassing, alleen de meetkundige ontwikkeling en het rekenen met oo’s.

Voorbeeld 6.4 (De standaardschaal is werkelijk geordend)

De lexicografische bewering van Definitie 6.1 vraagt per geval één regel bewijs. Vergelijk xα(ln⁡x)βx^{\alpha}(\ln x)^{\beta} en xα′(ln⁡x)β′x^{\alpha'}(\ln x)^{\beta'} bij +∞+\infty. Is α<α′\alpha < \alpha', dan is de verhouding xα−α′(ln⁡x)β−β′→0x^{\alpha - \alpha'}(\ln x)^{\beta - \beta'} \to 0, want een negatieve macht van xx verplettert elke macht van ln⁡x\ln x (zet x=etx = \eu^t: e(α−α′)t tβ−β′→0\eu^{(\alpha - \alpha')t}\,t^{\beta - \beta'} \to 0 volgens de limiet “exponentieel wint van polynomiaal” uit het volume van bachelorjaar 1). Is α=α′\alpha = \alpha' en β<β′\beta < \beta', dan is de verhouding rechtstreeks (ln⁡x)β−β′→0(\ln x)^{\beta - \beta'} \to 0. De lexicografisch geordende paren (α,β)(\alpha, \beta) ordenen de schaal dus naar o(⋅)o(\cdot) — en de substitutie x=etx = \eu^t is de universele truc voor gemengde vergelijkingen van machten en logaritmen.

Voorbeeld 6.5 (Een menagerie rangschikken)

Schalen moeten geordend zijn; hier is de standaardoefening. Vergelijk bij +∞+\infty de grootheden n10n^{10}, eln⁡n ⋅ n\eu^{\sqrt{\ln n}\,\cdot\,\sqrt n}, 2n2^n en nln⁡nn^{\ln n} door logaritmen te nemen:

10ln⁡n  ≪  (ln⁡n)2  ≪  nln⁡n  ≪  nln⁡2,10\ln n \;\ll\; (\ln n)^2 \;\ll\; \sqrt{n\ln n} \;\ll\; n\ln 2 ,

waarbij an≪bna_n \ll b_n betekent dat an=o(bn)a_n = o(b_n); de tweede term is ln⁡(nln⁡n)\ln(n^{\ln n}). Exponentiëren behoudt deze strikte kloven (gaat ln⁡un−ln⁡vn→−∞\ln u_n - \ln v_n \to -\infty, dan un/vn→0u_n/v_n \to 0), dus

n10=o(nln⁡n),nln⁡n=o(enln⁡n),enln⁡n=o(2n).n^{10} = o\bigl(n^{\ln n}\bigr), \qquad n^{\ln n} = o\bigl(\eu^{\sqrt{n\ln n}}\bigr), \qquad \eu^{\sqrt{n\ln n}} = o(2^n) .

De moraal, tweemaal: vergelijk altijd via logaritmen (verschillen van logaritmen, niet verhoudingen van logaritmen), en besluit nooit tot un∼vnu_n \sim v_n uit ln⁡un∼ln⁡vn\ln u_n \sim \ln v_n — het paar n10n^{10} en nln⁡nn^{\ln n} heeft een ln⁡\ln-verhouding die naar ∞\infty gaat, terwijl 2n2^n en 4n4^n een ln⁡\ln-verhouding van precies 22 hebben en toch wild niet-equivalent zijn.

6.2 Vergelijking van reeks en integraal, asymptotisch

Stelling 6.6

Zij ff continu, positief en dalend op [1, +∞)\intco{1}{+\infty}.

  1. Convergeert ∫1∞f\int_1^{\infty} f, dan voldoen de restsommen aan

    ∫n+1∞f  ≤  ∑k>nf(k)  ≤  ∫n∞f.\int_{n+1}^{\infty} f \;\leq\; \sum_{k > n} f(k) \;\leq\; \int_{n}^{\infty} f .
  2. Divergeert ∫1∞f\int_1^\infty f, dan voldoen de partiële sommen aan ∑k=1nf(k)=∫1nf+C+o(1)\sum_{k=1}^{n} f(k) = \int_1^n f + C + o(1) voor zekere constante CC: het verschil ∑k≤nf(k)−∫1nf\sum_{k \leq n} f(k) - \int_1^n f convergeert.

Bewijs. De insluiting f(k+1)≤∫kk+1f≤f(k)f(k+1) \leq \int_k^{k+1} f \leq f(k) (dalend) was het middel uit bachelorjaar 1; sommeren over k≥n+1k \geq n+1 respectievelijk k≥nk \geq n geeft (1). Zet voor (2) uk=f(k)−∫kk+1fu_k = f(k) - \int_k^{k+1} f: uit de insluiting volgt 0≤uk≤f(k)−f(k+1)0 \leq u_k \leq f(k) - f(k+1), dus zijn de partiële sommen van ∑uk\sum u_k begrensd door de telescopische som f(1)−f(n+1)≤f(1)f(1) - f(n+1) \leq f(1): de reeks convergeert. Bovendien is de rij (∫nn+1f)n\bigl(\int_n^{n+1} f\bigr)_n niet-stijgend (ff daalt) en niet-negatief, en dus convergent. Met

∑k=1nf(k)−∫1nf=∑k=1nuk+∫nn+1f\sum_{k=1}^{n} f(k) - \int_1^n f = \sum_{k=1}^{n} u_k + \int_n^{n+1} f

convergeert het rechterlid als n→∞n \to \infty: het verschil convergeert naar een constante CC, en dat is uitspraak (2). ∎

Voorbeeld 6.7 (De harmonische ontwikkeling)

Voor f(t)=1tf(t) = \frac1t: Hn=ln⁡n+γ+o(1)H_n = \ln n + \gamma + o(1), waarmee de constante van Euler (volume van bachelorjaar 1) met een schoner bewijs wordt teruggevonden. Eén orde verder (Oefening 6.3):

Hn=ln⁡n+γ+12n+o(1n).H_n = \ln n + \gamma + \frac{1}{2n} + o\Bigl(\frac1n\Bigr).

Getallen maken de winst zichtbaar bij n=10n = 10: H10=2.928968…H_{10} = 2.928968\dots en ln⁡10=2.302585…\ln 10 = 2.302585\dots, dus de ruwe schatting van γ\gamma is H10−ln⁡10=0.626383H_{10} - \ln 10 = 0.626383, er 0.0490.049 naast; trekken we de correctie 120\frac1{20} eraf, dan krijgen we 0.5763830.576383, slechts 8.3⋅10−48.3\cdot10^{-4} van γ=0.577216\gamma = 0.577216 verwijderd — en dat is zelf de volgende term 112⋅100\frac{1}{12\cdot100} van de ontwikkeling, zoals de weekendopgave bewijst (vraag 8).

Voorbeeld 6.8 (Een ruwe ln⁡(n!)\ln(n!) zonder Stirling)

Het insluitingsmiddel alleen lokaliseert ln⁡(n!)\ln(n!) al. Omdat ln⁡\ln stijgt, geldt

∫k−1kln⁡t  ⁣dt  ≤  ln⁡k  ≤  ∫kk+1ln⁡t  ⁣dt,\int_{k-1}^{k}\ln t\,\dd t \;\leq\; \ln k \;\leq\; \int_{k}^{k+1}\ln t\,\dd t ,

en sommeren over k=2,…,nk = 2, \dots, n (met ∫1nln⁡=nln⁡n−n+1\int_1^n\ln = n\ln n - n + 1) geeft

nln⁡n−n+1  ≤  ln⁡(n!)  ≤  (n+1)ln⁡(n+1)−n.n\ln n - n + 1 \;\leq\; \ln(n!) \;\leq\; (n+1)\ln(n+1) - n .

Beide hekken zijn nln⁡n−n+O(ln⁡n)n\ln n - n + O(\ln n): dus ln⁡(n!)=nln⁡n−n+O(ln⁡n)\ln(n!) = n\ln n - n + O(\ln n), en in het bijzonder ln⁡(n!)∼nln⁡n\ln(n!) \sim n\ln n. Wat Stirling daaraan toevoegt zijn de volgende twee sporten — de 12ln⁡n\frac12\ln n en de constante ln⁡2π\ln\sqrt{2\pi} — die de fijnere telescopering van Stelling 6.13 kosten. Weten welke precisie elk gereedschap koopt, is de helft van het asymptotische vakmanschap.

Voorbeeld 6.9 (Wegvallen vraagt om ontwikkelingen)

Bereken de limiet van n2+n−n\sqrt{n^2 + n} - n. Beide termen zijn ∼n\sim n, en “∼n−n\sim n - n” is betekenisloos: equivalenten mogen niet worden afgetrokken. Ontwikkel in plaats daarvan:

n2+n−n=n(1+1n−1)=n(12n−18n2+O(1n3))=12−18n+O(1n2):\sqrt{n^2 + n} - n = n\Bigl(\sqrt{1 + \tfrac1n} - 1\Bigr) = n\Bigl(\frac{1}{2n} - \frac{1}{8n^2} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr)\Bigr) = \frac12 - \frac{1}{8n} + O\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr) :

de limiet is 12\frac12, met de naderingssnelheid 18n\frac1{8n} als bonus. Het mechanisme verdient een naam: een verschil van twee grote equivalente grootheden leeft volledig in hun volgende termen, dus moet men ontwikkelen tot de eerste orde waarin de twee kanten verschillen — en de restterm meenemen om te certificeren dat er in die orde niets anders overleeft.

Voorbeeld 6.10 (Een divergente vergelijking, uitgewerkt)

Voor f(t)=1tln⁡tf(t) = \frac{1}{t\ln t} op [2, +∞)\intco{2}{+\infty} (continu, positief, dalend) is ∫2xf=ln⁡ln⁡x−ln⁡ln⁡2→∞\int_2^x f = \ln\ln x - \ln\ln 2 \to \infty, dus geeft Stelling 6.6 (2)

∑k=2n1kln⁡k=ln⁡ln⁡n+C+o(1)\sum_{k=2}^{n}\frac{1}{k\ln k} = \ln\ln n + C + o(1)

voor zekere constante CC. Twee lessen. Ten eerste is de divergentie echt maar ijzig traag: de partiële som overschrijdt 44 pas rond n≈ee4−Cn \approx \eu^{\eu^{4 - C}}, astronomisch groot. Ten tweede werd de vorm ln⁡ln⁡n\ln\ln n geleverd door een primitieve, niet geraden: voor monotone termen is de integraal het canonieke somgereedschap, en de constante CC — net als de γ\gamma van Euler — is het geheugen van de eerste termen.

6.3 De formule van Stirling

Lemma 6.11 (Wallis-integralen, hernomen)

Zij Wn=∫0π/2sin⁡nt  ⁣dtW_n = \int_0^{\pi/2} \sin^n t\,\dd t. Dan is nWnWn−1=π2nW_nW_{n-1} = \frac\pi2 voor n≥1n \geq 1, daalt (Wn)(W_n), en geldt Wn∼π2nW_n \sim \sqrt{\dfrac{\pi}{2n}}.

Bewijs. Partiële integratie geeft nWn=(n−1)Wn−2nW_n = (n-1)W_{n-2} (n≥2n \geq 2), dus is nWnWn−1nW_nW_{n-1} constant in nn, gelijk aan 1⋅W1W0=π21 \cdot W_1 W_0 = \frac\pi2. Dalend: sin⁡n+1≤sin⁡n\sin^{n+1} \leq \sin^n op [0, π2]\intcc{0}{\frac\pi2}. De insluiting in detail: de monotonie geeft Wn+1≤Wn≤Wn−1W_{n+1} \leq W_n \leq W_{n-1}, en deling door Wn−1>0W_{n-1} > 0 levert

nn+1=Wn+1Wn−1≤WnWn−1≤1,\frac{n}{n+1} = \frac{W_{n+1}}{W_{n-1}} \leq \frac{W_n}{W_{n-1}} \leq 1 ,

waarbij de linkeridentiteit uit de recurrentie bij index n+1n + 1 komt. Beide grenzen gaan naar 11: dus Wn∼Wn−1W_n \sim W_{n-1}, waaruit

nWn2∼nWnWn−1=π2⟹Wn∼π2n.nW_n^2 \sim nW_nW_{n-1} = \frac\pi2 \qquad\Longrightarrow\qquad W_n \sim \sqrt{\frac{\pi}{2n}} .

∎

Voorbeeld 6.12 (De eerste Wallis-integralen)

Uit W0=π2W_0 = \frac\pi2, W1=1W_1 = 1 en de recurrentie nWn=(n−1)Wn−2nW_n = (n-1)W_{n-2}:

W2=π4,W3=23,W4=3π16,W5=815,W6=5π32.W_2 = \frac\pi4, \qquad W_3 = \frac23, \qquad W_4 = \frac{3\pi}{16}, \qquad W_5 = \frac{8}{15}, \qquad W_6 = \frac{5\pi}{32}.

De even indices dragen een π\pi, de oneven zijn rationaal — de twee vervlochten producten uit de gesloten vormen. Numeriek is W6≈0.4909W_6 \approx 0.4909 tegenover de asymptotische waarde π/12≈0.5116\sqrt{\pi/12} \approx 0.5116: bij n=6n = 6 zit het equivalent al binnen 5%5\%, en de productidentiteit klopt exact bij elke nn: 6 W6W5=6⋅5π32⋅815=π26\,W_6W_5 = 6\cdot\frac{5\pi}{32}\cdot\frac8{15} = \frac\pi2. Kleine tabellen als deze zijn de goedkoopste manier om een algebrafoutje te vangen voordat het een asymptotisch argument besmet.

Stelling 6.13 (Stirling)

n!  ∼  2πn (ne) ⁣n.n! \;\sim\; \sqrt{2\pi n}\, \Bigl(\frac{n}{\eu}\Bigr)^{\!n} .

Bewijs. Stap 1: n!∼Cn (n/e)nn! \sim C \sqrt n\, (n/\eu)^n voor zekere constante C>0C > 0. Zet

dn=ln⁡(n!)−(n+12)ln⁡n+n.d_n = \ln(n!) - \Bigl(n + \frac12\Bigr)\ln n + n .

Dan is

dn−dn+1=(n+12)ln⁡n+1n−1=(n+12)(1n−12n2+13n3+o(n−3))−1=112n2+o(1n2),d_n - d_{n+1} = \Bigl(n + \frac12\Bigr) \ln\frac{n+1}{n} - 1 = \Bigl(n + \frac12\Bigr)\Bigl(\frac1n - \frac{1}{2n^2} + \frac{1}{3n^3} + o\bigl(n^{-3}\bigr)\Bigr) - 1 = \frac{1}{12n^2} + o\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr),

volgens de taylorontwikkeling van ln⁡(1+1n)\ln(1 + \frac1n). De reeks ∑(dn−dn+1)\sum (d_n - d_{n+1}) convergeert dus absoluut (vergelijking met ∑n−2\sum n^{-2}), zodat (dn)(d_n) convergeert, zeg naar dd; exponentiëren geeft n!∼Cn (n/e)nn! \sim C\sqrt n\,(n/\eu)^n met C=edC = \eu^{d}.

Stap 2: C=2πC = \sqrt{2\pi} via Wallis. De gesloten vorm W2p=(2p)!4p(p!)2⋅π2W_{2p} = \frac{(2p)!}{4^p (p!)^2}\cdot\frac\pi2 (uit de recurrentie, de berekening uit bachelorjaar 1 opnieuw gedaan in de context van Lemma 6.11) combineert met stap 1:

W2p∼C2p (2p/e)2p4p (Cp (p/e)p)2⋅π2=2pC p⋅π2=πC⋅12p.W_{2p} \sim \frac{C\sqrt{2p}\,(2p/\eu)^{2p}} {4^p\,\bigl(C\sqrt p\,(p/\eu)^p\bigr)^2}\cdot\frac{\pi}{2} = \frac{\sqrt{2p}}{C\,p}\cdot\frac{\pi}{2} = \frac{\pi}{C}\cdot\frac{1}{\sqrt{2p}} .

Vergelijking met W2p∼π4pW_{2p} \sim \sqrt{\frac{\pi}{4p}} (Lemma 6.11): uit πC2p=π4p (1+o(1))\frac{\pi}{C\sqrt{2p}} = \sqrt{\frac{\pi}{4p}}\,(1 + o(1)) volgt C=π4p2p π=2πC = \pi \sqrt{\frac{4p}{2p\,\pi}} = \sqrt{2\pi}. ∎

Voorbeeld 6.14 (Centrale binomiaalcoëfficiënt)

(2nn)=(2n)!(n!)2∼4πn (2n/e)2n2πn (n/e)2n=4nπn:\binom{2n}{n} = \frac{(2n)!}{(n!)^2} \sim \frac{\sqrt{4\pi n}\,(2n/\eu)^{2n}}{2\pi n\,(n/\eu)^{2n}} = \frac{4^n}{\sqrt{\pi n}} :

de kans dat een symmetrische toevalswandeling op tijdstip 2n2n naar 00 terugkeert, is ∼1πn\sim \frac{1}{\sqrt{\pi n}} — een aankondiging van Hoofdstuk 22.

Opmerking 6.15 (Vooruitblik binnen dit volume)

Elk kwantitatief hoofdstuk hierna spreekt de taal van dit hoofdstuk. Hoofdstuk 7 klasseert reeksen door de termen met de schaal n−α(ln⁡n)−βn^{-\alpha}(\ln n)^{-\beta} te vergelijken — de weekendopgave daar brengt die grens volledig in kaart. Hoofdstuk 9 doet hetzelfde voor oneigenlijke integralen, met dezelfde schaal in de continue veranderlijke. Hoofdstuk 11 berekent convergentiestralen uit lim sup⁡∣an∣1/n\limsup\abs{a_n}^{1/n}, een oefening in equivalenten van nn-de wortels waarbij Stirling de standaardsleutel is (n!n∼ne\sqrt[n]{n!} \sim \frac n\eu, Oefening 6.4). En de kanshoofdstukken verzilveren Stirling rechtstreeks: de lokale schattingen van Hoofdstuk 22 voor binomiaalcoëfficiënten zijn woordelijk Voorbeeld 6.14 en Voorbeeld 6.21. De asymptotiek is hier geen hoofdstuk; zij is het accent van het hele volume.

Methode 6.16 (De checklist voor bootstrappen)

Controleer vier punten voordat je een gebootstrapte ontwikkeling vertrouwt. (1) Eerst het bestaan: het nulpunt of de rij moet zijn vastgepind (monotonie, tussenwaarden) voordat er ook maar iets wordt ontwikkeld — symbolen zonder referent laten zich prachtig ontwikkelen en betekenen niets. (2) Eén orde per ronde: elke substitutie mag slechts tot de orde van de ingevoerde schatting worden vertrouwd; twee nieuwe termen uit één ronde persen is de klassieke bron van verkeerde coëfficiënten. (3) Resttermen rijden mee: sleep de o(⋅)o(\cdot) door elke algebraïsche stap mee en laat de absorptie (kleinere termen door grotere resttermen opgeslokt) pas aan het eind gebeuren, en expliciet. (4) Numerieke controle: evalueer bij één eerlijke waarde van nn; een fout in een coëfficiënt overleeft een algebraïsche herafleiding verrassend vaak, en overleeft de rekenkunde bijna nooit.

Opmerking 6.17 (Klassieke valkuilen)

(i) Equivalenten tellen slecht op: uit un∼n+ln⁡nu_n \sim n + \ln n en vn∼−nv_n \sim -n mag men niet besluiten dat un+vn∼ln⁡nu_n + v_n \sim \ln n; wegvallende termen vragen om ontwikkelingen met expliciete resttermen, nooit om kale equivalenten. (ii) Exponentieer nooit een equivalentie: n+1∼nn + 1 \sim n maar en+1≁en\eu^{n+1} \not\sim \eu^n; de veilige richting is logaritmen nemen van equivalenten die naar +∞+\infty gaan (de weekendopgave van dit hoofdstuk, vraag 24). (iii) Een asymptotische ontwikkeling hoort bij een schaal: schrijven dat f=1x+o(1x2)f = \frac1x + o\bigl(\frac1{x^2}\bigr) beweert meer dan f=1x+o(1x)f = \frac1x + o\bigl(\frac1x\bigr), en de twee mengen maakt alle latere algebra ongeldig. (iv) Substitueer bij het bootstrappen de hele huidige ontwikkeling, restterm inbegrepen — een o(⋅)o(\cdot) halverwege laten vallen levert plausibele maar verkeerde coëfficiënten op. (v) De vergelijking van reeks en integraal heeft monotonie nodig: voor oscillerende termen faalt zij ronduit (vergelijk ∑sin⁡kk\sum\frac{\sin k}k, Hoofdstuk 7).

Voorbeeld 6.18 (Stirling in getallen)

Bij n=10n = 10 geeft de formule 20π (10/e)10≈3 598 696\sqrt{20\pi}\,(10/\eu)^{10} \approx 3\,598\,696 tegenover 10!=3 628 80010! = 3\,628\,800: een relatieve fout van 8.3⋅10−38.3\cdot10^{-3}, opmerkelijk voor een “asymptotische” uitspraak bij n=10n = 10. De fout heeft structuur — de exacte verfijning n!=2πn (n/e)n(1+112n+O(n−2))n! = \sqrt{2\pi n}\,(n/\eu)^n\bigl(1 + \frac1{12n} + O(n^{-2})\bigr) — en haar eerste correctie 1120≈8.3⋅10−3\frac1{120} \approx 8.3\cdot10^{-3} verklaart de waargenomen kloof vrijwel precies. Het gereedschap van Euler–Maclaurin uit de weekendopgave is juist de systematische bron van zulke correctietermen.

Opmerking 6.19 (Waar dit hoofdstuk wordt gebruikt)

De asymptotische vergelijking is de grammatica van alles wat verderop kwantitatief is: de convergentietests en het Bertrand-panorama van Hoofdstuk 7, de integreerbaarheidscriteria van Hoofdstuk 9, de berekeningen van convergentiestralen in Hoofdstuk 11, en de limietstellingen van Hoofdstuk 22 (waar Stirling de schattingen van de Moivre en Laplace aandrijft). Het volume van bachelorjaar 3 industrialiseert het ene idee dat wij hier met de hand bewijzen — haal de hoofdterm eruit, begrens de rest — tot de methode van Laplace en de gedomineerde convergentie.

Voorbeeld 6.20 (Een integraal met zichzelf vergeleken: ∫2x ⁣dtln⁡t\int_2^x \frac{\dd t}{\ln t})

De vergelijkingsgereedschapskist werkt ook op integralen. Zij F(x)=∫2x ⁣dtln⁡tF(x) = \int_2^x\frac{\dd t}{\ln t} (de integrand is continu op [2, ∞)\intco2\infty). Partieel integreren:

F(x)=[tln⁡t]2x+∫2x ⁣dt(ln⁡t)2=xln⁡x+O(∫2x ⁣dt(ln⁡t)2)+O(1),F(x) = \Bigl[\frac{t}{\ln t}\Bigr]_2^x + \int_2^x\frac{\dd t}{(\ln t)^2} = \frac{x}{\ln x} + O\Bigl(\int_2^x\frac{\dd t}{(\ln t)^2}\Bigr) + O(1),

en de restintegraal is o(xln⁡x)o\bigl(\frac{x}{\ln x}\bigr): splits haar bij x\sqrt x en begrens met

∫2x ⁣dt(ln⁡t)2≤xen∫xx ⁣dt(ln⁡t)2≤x(ln⁡x)2=4x(ln⁡x)2.\int_2^{\sqrt x}\frac{\dd t}{(\ln t)^2} \leq \sqrt x \qquad\text{en}\qquad \int_{\sqrt x}^{x}\frac{\dd t}{(\ln t)^2} \leq \frac{x}{(\ln\sqrt x)^2} = \frac{4x}{(\ln x)^2} .

Bijgevolg is F(x)∼xln⁡xF(x) \sim \frac{x}{\ln x}. Wie de priemgetalstelling in de weekendopgave van dit hoofdstuk is tegengekomen, herkent FF: het is de logaritmische integraal, de betere schatter van π(x)\pi(x), en de berekening laat zien dat zij tot op de eerste orde met xln⁡x\frac{x}{\ln x} overeenstemt.

Voorbeeld 6.21 (Stirling op een scheve binomiaalcoëfficiënt)

Dezelfde routine met drie faculteiten als bij Voorbeeld 6.14 geeft voor (3nn)=(3n)!n! (2n)!\binom{3n}{n} = \frac{(3n)!}{n!\,(2n)!}:

(3nn)∼6πn (3n/e)3n2πn (n/e)n⋅4πn (2n/e)2n=34πn (274) ⁣n.\binom{3n}{n} \sim \frac{\sqrt{6\pi n}\,(3n/\eu)^{3n}} {\sqrt{2\pi n}\,(n/\eu)^{n}\cdot\sqrt{4\pi n}\,(2n/\eu)^{2n}} = \sqrt{\frac{3}{4\pi n}}\, \Bigl(\frac{27}{4}\Bigr)^{\!n} .

De exponentiële snelheid 274=3322\frac{27}4 = \frac{3^3}{2^2} is e3n H(1/3)\eu^{3n\,H(1/3)} in de entropienotatie van de informatietheorie: scheve binomiaalcoëfficiënten groeien strikt langzamer dan de centrale 4n4^n per twee stappen — hier (27/4)1/3≈1.89<2(27/4)^{1/3} \approx 1.89 < 2 per stap. Elke asymptotiek van binomiaalcoëfficiënten in de combinatoriek en de kansrekening (Hoofdstuk 22) is deze ene berekening met andere gewichten.

6.4 Impliciet gedefinieerde rijen

Methode 6.22

Om de asymptotiek van de oplossingen xnx_n van een vergelijking F(x,n)=0F(x, n) = 0 te vinden:

  1. Lokaliseer: bewijs het bestaan en de eenduidigheid van xnx_n in een bepaald interval (monotonie, tussenwaardestelling), en bepaal het ruwe gedrag (limiet, groeiorde).
  2. Bootstrap: substitueer de ruwe vorm xn=(hoofdterm)(1+εn)x_n = (\text{hoofdterm})(1 + \varepsilon_n) in de vergelijking en los op naar de volgende orde van εn\varepsilon_n; herhaal, waarbij elke ronde één orde verfijnt.

Voorbeeld 6.23

Voor n≥1n \geq 1 heeft de vergelijking tan⁡x=x\tan x = x precies één oplossing xnx_n in (nπ−π2, nπ+π2)\intoo{n\pi - \frac\pi2}{n\pi + \frac\pi2} (de functie tan⁡x−x\tan x - x stijgt daar van −∞-\infty tot +∞+\infty, want haar afgeleide is tan⁡2x≥0\tan^2 x \geq 0). Ruw: xn=nπ+π2−ynx_n = n\pi + \frac\pi2 - y_n met yn∈(0, π)y_n \in \intoo{0}{\pi}; omdat xn→∞x_n \to \infty en tan⁡xn=xn→+∞\tan x_n = x_n \to +\infty, nadert xnx_n de asymptoot van links: yn→0y_n \to 0. Bootstrap: tan⁡xn=cot⁡yn=1tan⁡yn∼1yn\tan x_n = \cot y_n = \frac{1}{\tan y_n} \sim \frac{1}{y_n}, en de vergelijking cot⁡yn=xn∼nπ\cot y_n = x_n \sim n\pi geeft yn∼1nπy_n \sim \frac{1}{n\pi}. Bijgevolg is

xn=nπ+π2−1nπ+o(1n),x_n = n\pi + \frac\pi2 - \frac{1}{n\pi} + o\Bigl(\frac1n\Bigr),

en het proces gaat tot elke orde door (Oefening 6.6).

Voorbeeld 6.24 (Een tweede ronde van de methode)

Los x+ln⁡x=nx + \ln x = n asymptotisch op. Lokaliseer: x↦x+ln⁡xx \mapsto x + \ln x stijgt op (0, +∞)\intoo{0}{+\infty} van −∞-\infty tot +∞+\infty: dus één nulpunt xnx_n, en xn→∞x_n \to \infty. Ruw: uit ln⁡xn=o(xn)\ln x_n = o(x_n) volgt xn∼nx_n \sim n. Bootstrap: uit xn=n−ln⁡xnx_n = n - \ln x_n en ln⁡xn=ln⁡n+o(1)\ln x_n = \ln n + o(1) (logaritmen van equivalenten, beide leden →∞\to \infty):

xn=n−ln⁡n+o(1);x_n = n - \ln n + o(1) ;

nog een ronde, met ln⁡xn=ln⁡(n−ln⁡n+o(1))=ln⁡n−ln⁡nn+o(ln⁡nn)\ln x_n = \ln\bigl(n - \ln n + o(1)\bigr) = \ln n - \frac{\ln n}{n} + o\bigl(\frac{\ln n}n\bigr):

xn=n−ln⁡n+ln⁡nn+o(ln⁡nn).x_n = n - \ln n + \frac{\ln n}{n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr).

(Controle bij n=100n = 100: het nulpunt is x≈95.4415x \approx 95.4415; de formule met drie termen geeft 100−4.6052+0.0461=95.4409100 - 4.6052 + 0.0461 = 95.4409 en die met twee termen 95.394895.3948 — elke ronde wint de voorspelde orde.) Dezelfde lus, een derde landschap: de methode van Methode 6.22 maalt niet om de gedaante van de vergelijking, zolang elke ronde de dominante onbekende isoleert.

6.5 Oefeningen

Oefening 6.1 ★

Ontwikkel bij +∞+\infty, twee termen voorbij de hoofdterm:

x2+x+1,ln⁡(x2+x)−2ln⁡x,x+sin⁡xx−ln⁡x.\sqrt{x^2 + x + 1} , \qquad \ln(x^2 + x) - 2\ln x, \qquad \frac{x + \sin x}{x - \ln x} .
Oplossing

Oplossing van Oefening 6.1.

x2+x+1=x1+1x+1x2=x+12+38⋅1x+o(1x)\sqrt{x^2 + x + 1} = x\sqrt{1 + \tfrac1x + \tfrac{1}{x^2}} = x + \frac12 + \frac38\cdot\frac1x + o\bigl(\frac1x\bigr) (binomiale ontwikkeling: 12u−18u2\frac12 u - \frac18 u^2 met u=1x+1x2u = \frac1x + \frac{1}{x^2} geeft 12x+12x2−18x2=12x+38x2\frac{1}{2x} + \frac{1}{2x^2} - \frac{1}{8x^2} = \frac{1}{2x} + \frac{3}{8x^2}, en vermenigvuldig daarna met xx).

ln⁡(x2+x)−2ln⁡x=ln⁡(1+1x)=1x−12x2+o(1x2)\ln(x^2 + x) - 2\ln x = \ln\bigl(1 + \tfrac1x\bigr) = \frac1x - \frac{1}{2x^2} + o\bigl(\frac{1}{x^2}\bigr).

Derde functie: ontwikkel elke factor,

x+sin⁡xx−ln⁡x=(1+sin⁡xx)(1+ln⁡xx+(ln⁡x)2x2+O((ln⁡x)3x3)).\frac{x + \sin x}{x - \ln x} = \Bigl(1 + \frac{\sin x}{x}\Bigr) \Bigl(1 + \frac{\ln x}{x} + \frac{(\ln x)^2}{x^2} + O\Bigl(\frac{(\ln x)^3}{x^3}\Bigr)\Bigr).

Orden de bijdragen op de schaal bij +∞+\infty: ln⁡xx≫1x≥∣sin⁡xx∣≫(ln⁡x)2x2\frac{\ln x}{x} \gg \frac{1}{x} \geq \bigl|\frac{\sin x}{x}\bigr| \gg \frac{(\ln x)^2}{x^2}. De twee termen na de hoofdterm 11 zijn dus ln⁡xx\frac{\ln x}{x}, en daarna de begrensd oscillerende term sin⁡xx\frac{\sin x}{x}:

x+sin⁡xx−ln⁡x=1+ln⁡xx+sin⁡xx+O((ln⁡x)2x2).\frac{x + \sin x}{x - \ln x} = 1 + \frac{\ln x}{x} + \frac{\sin x}{x} + O\Bigl(\frac{(\ln x)^2}{x^2}\Bigr).

Oefening 6.2 ★

Geef de aard (convergentie of divergentie) en, bij divergentie, de hoofdasymptotiek van ∑k≤nkα\sum_{k \leq n} k^\alpha voor α>−1\alpha > -1, α=−1\alpha = -1 en α<−1\alpha < -1, met Stelling 6.6.

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.2.

Neem f(t)=tαf(t) = t^\alpha (t≥1t \geq 1).

α>−1\alpha > -1: divergentie, en volgens Stelling 6.6 (2) geldt ∑k≤nkα=nα+1α+1+C+o(1)\sum_{k\leq n} k^\alpha = \frac{n^{\alpha+1}}{\alpha+1} + C + o(1) als α<0\alpha < 0 (daar daalt ff); voor α≥0\alpha \geq 0 (ff stijgt) geeft dezelfde insluiting met omgekeerde ongelijkheden ∑k≤nkα∼nα+1α+1\sum_{k \leq n} k^\alpha \sim \frac{n^{\alpha + 1}}{\alpha + 1}.

α=−1\alpha = -1: Hn=ln⁡n+γ+o(1)H_n = \ln n + \gamma + o(1) (Voorbeeld 6.7).

α<−1\alpha < -1: convergentie, met restsom ∑k>nkα∼nα+1−(α+1)\sum_{k > n} k^\alpha \sim \frac{n^{\alpha+1}}{-(\alpha+1)} volgens de insluiting (1) (beide integraalgrenzen zijn met die waarde equivalent).

Oefening 6.3 ★★

Bewijs dat Hn=ln⁡n+γ+12n+o(1n)H_n = \ln n + \gamma + \frac{1}{2n} + o\bigl(\frac1n\bigr). (Bestudeer vn=Hn−ln⁡n−γv_n = H_n - \ln n - \gamma: toon aan dat vn−vn+1=12n2+O(n−3)v_n - v_{n+1} = \frac{1}{2n^2} + O(n^{-3}) en sommeer de staart, met de vergelijking ∑k≥n12k2∼12n\sum_{k \geq n} \frac{1}{2k^2} \sim \frac{1}{2n} — Stelling 6.6 (1).)

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.3.

Zij vn=Hn−ln⁡n−γ→0v_n = H_n - \ln n - \gamma \to 0. Dan is

vn−vn+1=ln⁡n+1n−1n+1=(1n−12n2)−(1n−1n2)+O(1n3)=12n2+O(1n3),v_n - v_{n+1} = \ln\frac{n+1}{n} - \frac{1}{n+1} = \Bigl(\frac1n - \frac{1}{2n^2}\Bigr) - \Bigl(\frac1n - \frac{1}{n^2}\Bigr) + O\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr) = \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr),

met 1n+1=1n−1n2+O(n−3)\frac{1}{n+1} = \frac1n - \frac{1}{n^2} + O(n^{-3}). Omdat vn→0v_n \to 0, geeft het telescoperen van de staart

vn=∑k≥n(vk−vk+1)=∑k≥n(12k2+O(k−3))=12n+O(1n2),v_n = \sum_{k \geq n} (v_k - v_{k+1}) = \sum_{k\geq n} \Bigl(\frac{1}{2k^2} + O(k^{-3})\Bigr) = \frac{1}{2n} + O\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr),

via Stelling 6.6 (1) toegepast op t−2t^{-2} (restsom ∼1n\sim \frac1n, gehalveerd) en op t−3t^{-3}. Bijgevolg is Hn=ln⁡n+γ+12n+o(1n)H_n = \ln n + \gamma + \frac{1}{2n} + o(\frac1n).

Oefening 6.4 ★★

Bepaal met Stirling equivalenten van (3n)!(n!)3\dfrac{(3n)!}{(n!)^3},   n!nn\;\dfrac{n!}{n^n} en   n!n\;\sqrt[n]{n!} (als ne(1+o(1))\frac n\eu(1 + o(1)), tot op twee termen preciesgemaakt).

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.4.

Drie keer Stirling:

(3n)!(n!)3∼6πn (3n/e)3n(2πn)3/2 (n/e)3n=6  27 n2πn⋅12πn⋅2πn  =3 27n2πn.\frac{(3n)!}{(n!)^3} \sim \frac{\sqrt{6\pi n}\,(3n/\eu)^{3n}} {(2\pi n)^{3/2}\,(n/\eu)^{3n}} = \frac{\sqrt{6}\; 27^{\,n}}{2\pi n} \cdot \frac{1}{\sqrt{2\pi n}}\cdot\sqrt{2\pi n}\; = \frac{\sqrt3\,27^n}{2\pi n} .

(Zorgvuldig: 6πn(2πn)3/2=6(2πn)2πnπn=32πn\frac{\sqrt{6\pi n}}{(2\pi n)^{3/2}} = \frac{\sqrt6}{(2\pi n)\sqrt{2\pi n}}\sqrt{\pi n} = \frac{\sqrt3}{2\pi n}.)

n!nn∼2πn e−n\dfrac{n!}{n^n} \sim \sqrt{2\pi n}\,\eu^{-n}.

n!n=exp⁡(ln⁡n!n)\sqrt[n]{n!} = \exp\bigl(\frac{\ln n!}{n}\bigr) met ln⁡n!=nln⁡n−n+12ln⁡(2πn)+o(1)\ln n! = n\ln n - n + \frac12\ln(2\pi n) + o(1):

n!n=exp⁡(ln⁡n−1+ln⁡(2πn)2n+o(ln⁡nn))=ne(1+ln⁡(2πn)2n+o(ln⁡nn)).\sqrt[n]{n!} = \exp\Bigl(\ln n - 1 + \frac{\ln(2\pi n)}{2n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)\Bigr) = \frac{n}{\eu}\Bigl(1 + \frac{\ln(2\pi n)}{2n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)\Bigr).

Oefening 6.5 ★★

Bewijs voor n≥2n \geq 2 dat xn+x=1x^n + x = 1 precies één oplossing xn∈(0, 1)x_n \in \intoo{0}{1} heeft, dat xn→1x_n \to 1, en leid af dat

xn=1−ln⁡nn+o(ln⁡nn).x_n = 1 - \frac{\ln n}{n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr).

(Uit xnn=1−xnx_n^n = 1 - x_n: neem logaritmen en bootstrap met xn=1−εnx_n = 1 - \varepsilon_n.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.5.

g(x)=xn+x−1g(x) = x^n + x - 1 stijgt strikt op [0, 1]\intcc{0}{1} van −1-1 naar 11: dus één nulpunt xnx_n. Omdat xnn=1−xn∈(0, 1)x_n^n = 1 - x_n \in \intoo{0}{1}: zou xn≤c<1x_n \leq c < 1 langs een deelrij, dan xnn≤cn→0x_n^n \leq c^n \to 0, dus 1−xn→01 - x_n \to 0: in strijd met xn≤cx_n \leq c. Bijgevolg is xn→1x_n \to 1.

Schrijf xn=1−εnx_n = 1 - \varepsilon_n met εn→0+\varepsilon_n \to 0^+. De vergelijking luidt (1−εn)n=εn(1 - \varepsilon_n)^n = \varepsilon_n, dat wil zeggen

nln⁡(1−εn)=ln⁡εn⟹−nεn(1+o(1))=ln⁡εn.n\ln(1 - \varepsilon_n) = \ln \varepsilon_n \quad\Longrightarrow\quad -n\varepsilon_n\bigl(1 + o(1)\bigr) = \ln\varepsilon_n .

Dus nεn=−ln⁡εn (1+o(1))→+∞n\varepsilon_n = -\ln\varepsilon_n\,(1 + o(1)) \to +\infty, en opnieuw logaritmen nemen geeft ln⁡n+ln⁡εn=ln⁡(−ln⁡εn)+o(1)\ln n + \ln\varepsilon_n = \ln(-\ln\varepsilon_n) + o(1). Omdat ln⁡(−ln⁡εn)=o(ln⁡(1/εn))\ln(-\ln \varepsilon_n) = o(\ln(1/\varepsilon_n)), volgt ln⁡εn∼−ln⁡n\ln\varepsilon_n \sim -\ln n, waaruit εn=−ln⁡εnn(1+o(1))∼ln⁡nn\varepsilon_n = \frac{-\ln\varepsilon_n}{n}(1 + o(1)) \sim \frac{\ln n}{n}:

xn=1−ln⁡nn+o(ln⁡nn).x_n = 1 - \frac{\ln n}{n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr) .

Oefening 6.6 ★★

Voer Voorbeeld 6.23 één orde verder door:

xn=nπ+π2−1nπ+12n2π+o(1n2).x_n = n\pi + \frac\pi2 - \frac{1}{n\pi} + \frac{1}{2n^2\pi} + o\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr).

(Schrijf cot⁡yn=xn\cot y_n = x_n exact, ontwikkel cot⁡y=1y−y3+o(y)\cot y = \frac1y - \frac y3 + o(y) en xn=nπ(1+12n−… )x_n = n\pi(1 + \frac{1}{2n} - \dots), en identificeer.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.6.

Exacte betrekking: cot⁡yn=xn=nπ+π2−yn\cot y_n = x_n = n\pi + \frac\pi2 - y_n met yn∼1nπy_n \sim \frac{1}{n\pi} (Voorbeeld 6.23). Ontwikkel cot⁡y=1y−y3+O(y3)\cot y = \frac1y - \frac y3 + O(y^3):

1yn−yn3+O(yn3)=nπ+π2−yn⟹1yn=nπ+π2+O(1n),\frac{1}{y_n} - \frac{y_n}{3} + O(y_n^3) = n\pi + \frac\pi2 - y_n \quad\Longrightarrow\quad \frac{1}{y_n} = n\pi + \frac\pi2 + O\Bigl(\frac1n\Bigr),

(de termen −yn-y_n en −yn3-\frac{y_n}{3} zijn O(1n)O(\frac1n)). Inverteer:

yn=1nπ⋅11+12n+O(n−2)=1nπ(1−12n+O(1n2))=1nπ−12n2π+O(1n3).y_n = \frac{1}{n\pi}\cdot\frac{1}{1 + \frac{1}{2n} + O(n^{-2})} = \frac{1}{n\pi}\Bigl(1 - \frac{1}{2n} + O\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr)\Bigr) = \frac{1}{n\pi} - \frac{1}{2n^2\pi} + O\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr).

Bijgevolg is

xn=nπ+π2−yn=nπ+π2−1nπ+12n2π+o(1n2).x_n = n\pi + \frac{\pi}{2} - y_n = n\pi + \frac\pi2 - \frac{1}{n\pi} + \frac{1}{2n^2\pi} + o\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr).

Oefening 6.7 ★★

Bepaal lim⁡n→∞1n!∑k=0nk!\lim_{n\to\infty} \dfrac{1}{n!}\sum_{k=0}^{n} k! (begrens de som van alle termen op de laatste twee na), en leid daaruit de asymptotische ontwikkeling ∑k≤nk!=n!(1+1n+O(n−2))\sum_{k \leq n} k! = n!\bigl(1 + \frac1n + O(n^{-2})\bigr) af.

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.7.

Splits de twee grootste termen af:

∑k=0nk!=n!+(n−1)!+∑k≤n−2k!,∑k≤n−2k!≤(n−1) (n−2)!=(n−1)!.\sum_{k=0}^{n} k! = n! + (n-1)! + \sum_{k \leq n-2} k! , \qquad \sum_{k\leq n-2} k! \leq (n-1)\,(n-2)! = (n-1)! .

Dus 1≤1n!∑k!≤1+2n1 \leq \frac{1}{n!}\sum k! \leq 1 + \frac{2}{n}: de limiet is 11. Verfijning: (n−1)!n!=1n\frac{(n-1)!}{n!} = \frac1n, en de ruwe grens ∑k≤n−2k!≤(n−1)!\sum_{k \leq n-2}k! \leq (n-1)! laat zich op dezelfde manier aanscherpen: ∑k≤n−2k!=(n−2)! (1+O(1n))=O(n!n2)\sum_{k\leq n-2} k! = (n-2)!\,(1 + O(\frac1n)) = O\bigl(\frac{n!}{n^2}\bigr). Bijgevolg is

∑k=0nk!=n!(1+1n+O(1n2)).\sum_{k=0}^{n} k! = n!\Bigl(1 + \frac1n + O\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr)\Bigr).

Oefening 6.8 ★★★

Zij u0>0u_0 > 0 en un+1=un+1unu_{n+1} = u_n + \dfrac{1}{u_n}. Bewijs dat un→∞u_n \to \infty, vervolgens dat un∼2nu_n \sim \sqrt{2n} (bestudeer un2u_n^2: haar toenamen zijn 2+un−22 + u_n^{-2}; sommeer), en verfijn:

un=2n(1+ln⁡n8n+o(ln⁡nn)).u_n = \sqrt{2n}\Bigl(1 + \frac{\ln n}{8n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)\Bigr).

(Uit un2=2n+∑k<nuk−2+u02u_n^2 = 2n + \sum_{k<n} u_k^{-2} + u_0^2 en uk2∼2ku_k^2 \sim 2k: de som is ∼12ln⁡n\sim \frac12\ln n volgens Stelling 6.6.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.8.

(un)(u_n) stijgt; was zij begrensd, dan zou zij naar een ℓ\ell convergeren met ℓ=ℓ+1ℓ\ell = \ell + \frac1\ell: absurd. Dus un→∞u_n \to \infty.

Kwadraten: un+12=un2+2+un−2u_{n+1}^2 = u_n^2 + 2 + u_n^{-2}, dus

un2=u02+2n+∑k=0n−11uk2.u_n^2 = u_0^2 + 2n + \sum_{k=0}^{n-1} \frac{1}{u_k^2} .

De som is o(n)o(n) (de termen gaan naar 00; Cesàro), dus un2∼2nu_n^2 \sim 2n en un∼2nu_n \sim \sqrt{2n}.

Verfijning: 1uk2∼12k\frac{1}{u_k^2} \sim \frac{1}{2k}, dus levert de vergelijking (Stelling 6.6, of equivalenten van partiële sommen van positieve reeksen) ∑k<nuk−2∼12ln⁡n\sum_{k<n} u_k^{-2} \sim \frac12 \ln n. Bijgevolg is

un2=2n+ln⁡n2 (1+o(1))+O(1)⟹un=2n1+ln⁡n4n+o(ln⁡nn)=2n(1+ln⁡n8n+o(ln⁡nn)).u_n^2 = 2n + \frac{\ln n}{2}\,(1 + o(1)) + O(1) \quad\Longrightarrow\quad u_n = \sqrt{2n}\sqrt{1 + \frac{\ln n}{4n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)} = \sqrt{2n}\Bigl(1 + \frac{\ln n}{8n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)\Bigr).

Oefening 6.9 ★★★

(Een riemannsom met een addertje) Bepaal het asymptotische gedrag van

Sn=∑k=1n1n+kln⁡n.S_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n + k\ln n} .

(Haal nn buiten haakjes: Sn=1n∑k(1+kln⁡nn)−1S_n = \frac1n\sum_k \bigl(1 + \frac{k\ln n}{n}\bigr)^{-1}; herken een som van het type Riemann met een traag variërende parameter t=ln⁡nt = \ln n, bereken ∫01 ⁣du1+tu=ln⁡(1+t)t\int_0^1 \frac{\dd u}{1 + tu} = \frac{\ln(1+t)}{t}, en besluit dat Sn∼ln⁡ln⁡nln⁡nS_n \sim \frac{\ln\ln n}{\ln n}.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.9.

Haal nn buiten haakjes en zet t=ln⁡nt = \ln n:

Sn=1n∑k=1n11+t kn.S_n = \frac1n \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{1 + t\,\frac kn} .

Bij vaste tt is de som een riemannsom van u↦11+tuu \mapsto \frac{1}{1 + tu} op [0, 1]\intcc{0}{1}; de functie is monotoon in uu, dus wordt de riemannsom ingesloten door de integraal, één maaswijdte verschoven:

∫01 ⁣du1+tu−1n≤Sn≤∫01 ⁣du1+tu+1n\int_0^1 \frac{\dd u}{1 + tu} - \frac1n \leq S_n \leq \int_0^1 \frac{\dd u}{1 + tu} + \frac1n

(de vergelijking van de riemannsommen van een monotone functie met haar integraal, geldig voor elke nn met haar eigen t=ln⁡nt = \ln n). Nu is ∫01 ⁣du1+tu=ln⁡(1+t)t\int_0^1 \frac{\dd u}{1 + tu} = \frac{\ln(1 + t)}{t} en 1n=o(ln⁡tt)\frac1n = o\bigl(\frac{\ln t}{t}\bigr): bijgevolg

Sn=ln⁡(1+ln⁡n)ln⁡n+O(1n)  ∼  ln⁡ln⁡nln⁡n.S_n = \frac{\ln(1 + \ln n)}{\ln n} + O\Bigl(\frac 1n\Bigr) \;\sim\; \frac{\ln\ln n}{\ln n} .

Oefening 6.10 ★

Bewijs de identiteit (ln⁡n)ln⁡n=nln⁡ln⁡n(\ln n)^{\ln n} = n^{\ln\ln n}, en rangschik daarna de volgende grootheden bij oneindig in stijgende o(⋅)o(\cdot)-volgorde, met bewijs: n2n^2, (ln⁡n)ln⁡n(\ln n)^{\ln n}, 2n2^n, n!n!, nnn^n.

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.10.

Identiteit: (ln⁡n)ln⁡n=eln⁡n ln⁡ln⁡n=(eln⁡n)ln⁡ln⁡n=nln⁡ln⁡n(\ln n)^{\ln n} = \eu^{\ln n\,\ln\ln n} = \bigl(\eu^{\ln n}\bigr)^{\ln\ln n} = n^{\ln\ln n}. Rangschikking: vergelijk logaritmen. ln⁡(n2)=2ln⁡n\ln(n^2) = 2\ln n; ln⁡((ln⁡n)ln⁡n)=ln⁡nln⁡ln⁡n\ln\bigl((\ln n)^{\ln n}\bigr) = \ln n\ln\ln n; ln⁡(2n)=nln⁡2\ln(2^n) = n\ln2; ln⁡(n!)=nln⁡n−n+O(ln⁡n)\ln(n!) = n\ln n - n + O(\ln n) (Stirling, of de ruwere insluiting ln⁡n!∼nln⁡n\ln n! \sim n\ln n); ln⁡(nn)=nln⁡n\ln(n^n) = n\ln n. Omdat 2ln⁡n=o(ln⁡nln⁡ln⁡n)2\ln n = o(\ln n\ln\ln n), ln⁡nln⁡ln⁡n=o(n)\ln n\ln\ln n = o(n), nln⁡2=o(nln⁡n−n)n\ln 2 = o(n\ln n - n), en nln⁡n−n∼nln⁡nn \ln n - n \sim n\ln n terwijl n!/nn→0n! / n^n \to 0 (het verschil van de logaritmen is −n+O(ln⁡n)→−∞-n + O(\ln n) \to -\infty), volgt

n2=o((ln⁡n)ln⁡n),(ln⁡n)ln⁡n=o(2n),2n=o(n!),n!=o(nn).n^2 = o\bigl((\ln n)^{\ln n}\bigr),\quad (\ln n)^{\ln n} = o(2^n),\quad 2^n = o(n!),\quad n! = o(n^n).

(Bij elke stap: het verschil van de logaritmen gaat naar +∞+\infty, dus gaat de verhouding naar 00.)

Oefening 6.11 ★★

(Staart van ∑1/k2\sum 1/k^2, twee termen) Bewijs met de exacte telescopering ∑k>n1k(k+1)=1n+1\sum_{k > n} \frac{1}{k(k+1)} = \frac{1}{n+1} en de splitsing 1k2=1k(k+1)+1k2(k+1)\frac1{k^2} = \frac{1}{k(k+1)} + \frac{1}{k^2(k+1)} dat

∑k>n1k2=1n−12n2+O(1n3).\sum_{k > n} \frac{1}{k^2} = \frac1n - \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr).
Oplossing

Oplossing van Oefening 6.11.

Splits 1k2=1k(k+1)+1k2(k+1)\frac1{k^2} = \frac1{k(k+1)} + \frac1{k^2(k+1)} en sommeer voor k>nk > n:

∑k>n1k2=1n+1+∑k>n1k2(k+1),\sum_{k>n}\frac1{k^2} = \frac1{n+1} + \sum_{k>n}\frac{1}{k^2(k+1)} ,

waarbij de eerste som exact telescopeert (1k(k+1)=1k−1k+1\frac1{k(k+1)} = \frac1k - \frac1{k+1}). Voor de tweede: 1k2(k+1)=1k3+O(1k4)\frac{1}{k^2(k+1)} = \frac1{k^3} + O\bigl(\frac1{k^4}\bigr) (want 1k2(k+1)−1k3=−1k3(k+1)\frac{1}{k^2(k+1)} - \frac1{k^3} = \frac{-1}{k^3(k+1)}), en de vergelijking met de integraal geeft ∑k>n1k3=12n2+O(1n3)\sum_{k>n}\frac1{k^3} = \frac1{2n^2} + O\bigl(\frac1{n^3}\bigr) en ∑k>n1k4=O(1n3)\sum_{k>n}\frac1{k^4} = O\bigl(\frac1{n^3}\bigr). Bijgevolg is

∑k>n1k2=1n+1+12n2+O(1n3)=1n−1n2+12n2+O(1n3)=1n−12n2+O(1n3),\sum_{k>n}\frac1{k^2} = \frac1{n+1} + \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr) = \frac1n - \frac1{n^2} + \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr) = \frac1n - \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr),

met 1n+1=1n−1n2+O(1n3)\frac1{n+1} = \frac1n - \frac1{n^2} + O\bigl(\frac1{n^3}\bigr).

Oefening 6.12 ★★★

Zij u0=12u_0 = \frac12 en un+1=un+e−unu_{n+1} = u_n + \eu^{-u_n}. Bewijs dat un→∞u_n \to \infty, en leid vervolgens — door vn=eunv_n = \eu^{u_n} te zetten en aan te tonen dat vn+1=vn+1+12vn+O(vn−2)v_{n+1} = v_n + 1 + \frac{1}{2v_n} + O\bigl(v_n^{-2}\bigr) — af dat

un=ln⁡n+ln⁡n2n+O(1n).u_n = \ln n + \frac{\ln n}{2n} + O\Bigl(\frac1n\Bigr).
Oplossing

Oplossing van Oefening 6.12.

(un)(u_n) stijgt; was zij begrensd, dan zou zij naar een eindige ℓ\ell convergeren met ℓ=ℓ+e−ℓ\ell = \ell + \eu^{-\ell}: onmogelijk. Dus un→∞u_n \to \infty. Zij vn=eun→∞v_n = \eu^{u_n} \to \infty; dan is

vn+1=eun+e−un=vn e1/vn=vn(1+1vn+12vn2+O(vn−3))=vn+1+12vn+O(vn−2).v_{n+1} = \eu^{u_n + \eu^{-u_n}} = v_n\,\eu^{1/v_n} = v_n\Bigl(1 + \frac1{v_n} + \frac1{2v_n^2} + O\bigl(v_n^{-3}\bigr)\Bigr) = v_n + 1 + \frac{1}{2v_n} + O\bigl(v_n^{-2}\bigr).

Het sommeren van vk+1−vk=1+O(1)v_{k+1} - v_k = 1 + O(1) geeft eerst vn=n+O(n)v_n = n + O(n), dus vn≥cnv_n \geq cn vanaf zekere rang; opnieuw sommeren met 12vk=O(1k)\frac1{2v_k} = O(\frac1k) geeft vn=n+O(ln⁡n)v_n = n + O(\ln n). Nog een ronde: 12vk=12k(1+O(ln⁡kk))\frac{1}{2v_k} = \frac{1}{2k}\bigl(1 + O\bigl(\tfrac{\ln k}k\bigr)\bigr), dus

vn=n+∑k<n12k+O(1)=n+ln⁡n2+O(1).v_n = n + \sum_{k<n}\frac1{2k} + O(1) = n + \frac{\ln n}2 + O(1).

Ten slotte un=ln⁡vn=ln⁡n+ln⁡(1+ln⁡n2n+O(1n))=ln⁡n+ln⁡n2n+O(1n)u_n = \ln v_n = \ln n + \ln\Bigl(1 + \frac{\ln n}{2n} + O\bigl(\tfrac1n\bigr)\Bigr) = \ln n + \frac{\ln n}{2n} + O\bigl(\tfrac1n\bigr).

6.6 Probleem: Bootstrappen, van Euler–Maclaurin tot de priemgetallen

Een impliciete of opgestapelde grootheid geeft haar asymptotiek zelden in één keer prijs; men haalt haar in rondes binnen, waarbij elke ronde de vorige schatting terugvoert in de definiërende betrekking. Deze weekendopgave traint die lus op nieuwe vergelijkingen, bewijst de formule van Euler–Maclaurin van eerste orde (de trapeziumverbetering van de vergelijking van reeks en integraal, met rigoureuze foutbalken), keert xln⁡x=nx\ln x = n om, en int de beroemdste cheque van de methode: uit de zonder bewijs aangenomen priemgetalstelling volgt de asymptotische wet pn∼nln⁡np_n \sim n\ln n voor het nn-de priemgetal.

Probleem 6.1

Weekendopgave — de correctie van Euler–Maclaurin en de asymptotiek van het nn-de priemgetal

Deel I — De bootstraplus op een nieuwe vergelijking.

  1. Bewijs de bewering over eenduidigheid uit Definitie 6.2: geldt f=∑i≤kciφi+o(φk)=∑i≤kci′φi+o(φk)f = \sum_{i\leq k} c_i\varphi_i + o(\varphi_k) = \sum_{i \leq k} c_i'\varphi_i + o(\varphi_k) langs dezelfde schaal, dan is ci=ci′c_i = c_i' voor alle ii. Voer daarna het gemengde voorbeeld uit de cursus één sport verder door:

    1x−ln⁡x=1x+ln⁡xx2+(ln⁡x)2x3+o((ln⁡x)2x3)(x→+∞),\frac{1}{x - \ln x} = \frac1x + \frac{\ln x}{x^2} + \frac{(\ln x)^2}{x^3} + o\Bigl(\frac{(\ln x)^2}{x^3}\Bigr) \qquad (x \to +\infty),

    en leg uit waarom er geen term cx2\frac{c}{x^2} verschijnt.

  2. Toon aan dat de vergelijking ex+x=n\eu^x + x = n voor elke n≥1n \geq 1 precies één reële oplossing xnx_n heeft, en dat xn→+∞x_n \to +\infty met xn∼ln⁡nx_n \sim \ln n.
  3. Bootstrap tweemaal:

    xn=ln⁡n−ln⁡nn−(ln⁡n)22n2+o((ln⁡n)2n2).x_n = \ln n - \frac{\ln n}{n} - \frac{(\ln n)^2}{2n^2} + o\Bigl(\frac{(\ln n)^2}{n^2}\Bigr).
  4. Controleer numeriek bij n=1000n = 1000: vergelijk x1000≈6.90083x_{1000} \approx 6.90083 met de waarden van vraag 3 met één, twee en drie termen, tot op vijf decimalen.

Deel II — Euler–Maclaurin, eerste orde.

  1. Bewijs de identiteit met de trapeziumkern: voor gg van klasse C2C^2 op [0, 1]\intcc{0}{1} geldt

    ∫01g(t)  ⁣dt=g(0)+g(1)2−12∫01t(1−t) g′′(t)  ⁣dt\int_0^1 g(t)\,\dd t = \frac{g(0) + g(1)}{2} - \frac12\int_0^1 t(1 - t)\,g''(t)\,\dd t

    (integreer 12t(1−t)g′′\frac12 t(1-t)g'' tweemaal partieel).

  2. Zij ff van klasse C2C^2 op [1, +∞)\intco{1}{+\infty} met ∫1∞∣f′′∣<∞\int_1^\infty \abs{f''} < \infty. Toon aan dat

    En=∑k=1nf(k)−∫1nf−f(1)+f(n)2E_n = \sum_{k=1}^{n} f(k) - \int_1^n f - \frac{f(1) + f(n)}{2}

    naar een constante EE convergeert, met de staartgrens ∣E−En∣≤18∫n∞∣f′′∣\abs{E - E_n} \leq \frac18\int_n^\infty\abs{f''}: de formule van Euler–Maclaurin tot op de eerste orde.

  3. Pas dit toe op f(t)=1tf(t) = \frac1t: bewijs dat

    Hn=ln⁡n+γ+12n+εn,∣εn∣≤18n2,H_n = \ln n + \gamma + \frac{1}{2n} + \varepsilon_n, \qquad \abs{\varepsilon_n} \leq \frac{1}{8n^2},

    wat Oefening 6.3 versterkt (identificeer de constante met γ\gamma door met Voorbeeld 6.7 te vergelijken).

  4. Haal de volgende coëfficiënt binnen: toon aan dat εn=−112n2+o(1n2)\varepsilon_n = -\frac{1}{12n^2} + o\bigl(\frac1{n^2}\bigr) (de toenamen van EnE_n zijn 12∫01t(1−t)f′′(n+t) ⁣dt=112f′′(n)+o(f′′(n))\frac12\int_0^1t(1-t)f''(n+t)\dd t = \frac1{12}f''(n) + o(f''(n)); sommeer de staart met Stelling 6.6).
  5. Pas vraag 6 toe op f=ln⁡f = \ln: leid in drie regels opnieuw de convergentie af van dn=ln⁡n!−(n+12)ln⁡n+nd_n = \ln n! - (n + \frac12)\ln n + n (stap 1 van Stelling 6.13), met als bonus de foutsnelheid dn=d+O(1n)d_n = d + O\bigl(\frac1n\bigr).
  6. Pas vraag 6 toe op f(t)=1tf(t) = \frac{1}{\sqrt t}: toon aan dat

    ∑k=1n1k=2n+c+12n+O(1n3/2)\sum_{k=1}^{n}\frac1{\sqrt k} = 2\sqrt n + c + \frac{1}{2\sqrt n} + O\Bigl(\frac{1}{n^{3/2}}\Bigr)

    voor zekere constante cc, en evalueer alle termen bij n=104n = 10^4 (de constante is c≈−1.4604c \approx -1.4604).

Deel III — Omkeren: de vergelijking xln⁡x=nx\ln x = n.

  1. Toon aan dat xln⁡x=nx\ln x = n voor n≥1n \geq 1 precies één oplossing xn∈[1, +∞)x_n \in \intco{1}{+\infty} heeft, dat xn→∞x_n \to \infty, en dat ln⁡xn∼ln⁡n\ln x_n \sim \ln n.
  2. Leid de omkering met één term af, xn∼nln⁡nx_n \sim \dfrac{n}{\ln n}, en bootstrap daarna nog eens:

    ln⁡xn=ln⁡n−ln⁡ln⁡n+o(1),xn=nln⁡n(1+ln⁡ln⁡nln⁡n+o(ln⁡ln⁡nln⁡n)).\ln x_n = \ln n - \ln\ln n + o(1), \qquad x_n = \frac{n}{\ln n}\Bigl(1 + \frac{\ln\ln n}{\ln n} + o\Bigl(\frac{\ln\ln n}{\ln n}\Bigr)\Bigr).
  3. Test bij n=106n = 10^6: het werkelijke nulpunt is x≈87 848x \approx 87\,848; vergelijk met de waarden met één term (≈72 382\approx 72\,382) en met twee termen (≈86 140\approx 86\,140), en verklaar de trage winst (de ontwikkelingsparameter is ln⁡ln⁡nln⁡n\frac{\ln\ln n}{\ln n}, bij n=106n = 10^6 slechts ≈0.19\approx 0.19).
  4. We nemen nu de priemgetalstelling zonder bewijs aan: het aantal π(x)\pi(x) priemgetallen ≤x\leq x voldoet aan π(x)∼xln⁡x\pi(x) \sim \frac{x}{\ln x} als x→∞x \to \infty (eerlijk bewezen in het volume van bachelorjaar 3). Schrijf pnp_n voor het nn-de priemgetal, verantwoord dat π(pn)=n\pi(p_n) = n, en voer de omkering van de vragen 11–12 uit om te bewijzen dat

    pn∼nln⁡n.p_n \sim n \ln n .
  5. Opbrengsten: (a) toon aan dat ∑k≤npk∼n2ln⁡n2\sum_{k \leq n} p_k \sim \frac{n^2\ln n}{2} (vergelijk ∑kln⁡k\sum k\ln k met ∫tln⁡t  ⁣dt\int t\ln t\,\dd t); (b) bereken bij benadering de kans dat een uniform gekozen geheel getal van 100100 cijfers priem is (ln⁡10100≈230.26\ln 10^{100} \approx 230.26: ongeveer één op 230230).

Deel IV — De methode geëxporteerd: xtan⁡x=1x\tan x = 1.

  1. Toon aan dat de vergelijking tan⁡x=1x\tan x = \frac1x voor elke n≥1n \geq 1 precies één oplossing xnx_n heeft in (nπ,  nπ+π2)\intoo{n\pi}{\,n\pi + \frac\pi2}, en dat zn=xn−nπ→0+z_n = x_n - n\pi \to 0^+.
  2. Eén term: zn∼1nπz_n \sim \dfrac{1}{n\pi}.
  3. Toon aan dat de ontwikkeling van znz_n geen term cn2\frac{c}{n^2} heeft: zn=1nπ+O(1n3)z_n = \frac1{n\pi} + O\bigl(\frac{1}{n^3}\bigr).
  4. Drie termen: bewijs met arctan⁡u=u−u33+O(u5)\arctan u = u - \frac{u^3}3 + O(u^5) en 1xn=1nπ−zn(nπ)2+O(n−3⋅zn2)\frac1{x_n} = \frac{1}{n\pi} - \frac{z_n}{(n\pi)^2} + O(n^{-3}\cdot z_n^2) dat

    xn=nπ+1nπ−43π3n3+o(1n3).x_n = n\pi + \frac{1}{n\pi} - \frac{4}{3\pi^3 n^3} + o\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr).
  5. Controleer bij n=3n = 3: het werkelijke nulpunt is x3≈9.5293344x_3 \approx 9.5293344; vergelijk de waarden met één en met drie termen, en zet dit in één zin af tegen de tan⁡x=x\tan x = x uit de cursus (Voorbeeld 6.23): waar elke rij in haar venster ligt, en waarom.

Deel V — Een dynamische bootstrap, de spelregels, en de synthese.

  1. Zij u0∈(0, π)u_0 \in \intoo{0}{\pi} en un+1=sin⁡unu_{n+1} = \sin u_n. Toon aan dat unu_n dalend naar 00 gaat, en bereken de limiet van 1un+12−1un2\dfrac{1}{u_{n+1}^2} - \dfrac{1}{u_n^2} (ontwikkel sin⁡−2\sin^{-2} via sin⁡u=u−u36+o(u3)\sin u = u - \frac{u^3}6 + o(u^3)).
  2. Leid daaruit, via de gemiddelden van Cesàro (volume van bachelorjaar 1), de klassieke uitspraak

    un∼3nu_n \sim \sqrt{\frac{3}{n}}

    af.

  3. (Gecertificeerde numeriek) Toon met de rigoureuze grens van vraag 7 aan dat het evalueren van ln⁡n+γ+12n\ln n + \gamma + \frac1{2n} bij n=106n = 10^6 de waarde H106H_{10^6} oplevert met een fout van hoogstens 1.25⋅10−131.25\cdot10^{-13} — een som van een miljoen termen, met drie termen tot op dertien cijfers berekend.
  4. (Spelregels) Bewijs of weerleg, met bewijzen of tegenvoorbeelden: (a) geldt un∼vn→+∞u_n \sim v_n \to +\infty, dan ln⁡un∼ln⁡vn\ln u_n \sim \ln v_n; (b) geldt un∼vnu_n \sim v_n, dan eun∼evn\eu^{u_n} \sim \eu^{v_n}; (c) geldt f∼gf \sim g bij +∞+\infty (met f,gf, g differentieerbaar), dan f′∼g′f' \sim g'.
  5. (Synthese) In telkens één zin: de bootstraplus van Methode 6.22 zoals gebruikt in de Delen I, III en IV; wat de trapeziumcorrectie toevoegt aan Stelling 6.6; waarom het omkeren van xln⁡xx\ln x juist de brug is van π(x)\pi(x) naar pnp_n; en welke van de regels uit vraag 24 welke stap beschermde. Noem de twee toppen: de formule van Euler–Maclaurin (eerste orde), en de asymptotische wet voor het nn-de priemgetal.
Oplossing

Oplossing van Probleem 6.1.

1. Aftrekken van de twee ontwikkelingen geeft ∑i(ci−ci′)φi=o(φk)\sum_i (c_i - c_i')\varphi_i = o(\varphi_k). Verschilt een coëfficiënt, zij i0i_0 de eerste: deling door φi0\varphi_{i_0} en het gebruik van φj=o(φi0)\varphi_j = o(\varphi_{i_0}) voor j>i0j > i_0 geeft ci0−ci0′=o(1)c_{i_0} - c_{i_0}' = o(1), dus nul: tegenspraak. Voor de ontwikkeling: met u=ln⁡xx→0u = \frac{\ln x}x \to 0 is

1x−ln⁡x=1x⋅11−u=1x(1+u+u2+O(u3))=1x+ln⁡xx2+(ln⁡x)2x3+o((ln⁡x)2x3).\frac{1}{x - \ln x} = \frac1x\cdot\frac{1}{1 - u} = \frac1x\bigl(1 + u + u^2 + O(u^3)\bigr) = \frac1x + \frac{\ln x}{x^2} + \frac{(\ln x)^2}{x^3} + o\Bigl(\frac{(\ln x)^2}{x^3}\Bigr).

Er verschijnt geen term cx2\frac c{x^2} omdat de ontwikkeling een meetkundige reeks in u=ln⁡xxu = \frac{\ln x}{x} is: elke term draagt voorbij de eerste evenveel machten van ln⁡x\ln x als van 1x\frac1x; de sport 1x2\frac1{x^2} van de schaal (de coëfficiënt bij (ln⁡x)0(\ln x)^0) ontbreekt eenvoudigweg, met coëfficiënt 00.

2. f(x)=ex+xf(x) = \eu^x + x is continu en strikt stijgend, met limieten −∞-\infty en +∞+\infty: dus een bijectie R→R\R \to \R, zodat xn=f−1(n)x_n = f^{-1}(n) bestaat en eenduidig is, en xn→+∞x_n \to +\infty (f−1f^{-1} stijgt naar +∞+\infty). Uit exn=n−xn\eu^{x_n} = n - x_n volgt xn=ln⁡(n−xn)≤ln⁡nx_n = \ln(n - x_n) \leq \ln n, dus xn/n→0x_n/n \to 0 en xn=ln⁡n+ln⁡(1−xn/n)=ln⁡n+o(1)∼ln⁡nx_n = \ln n + \ln(1 - x_n/n) = \ln n + o(1) \sim \ln n.

3. Schrijf un=xn/nu_n = x_n/n. Tweede ronde: un=ln⁡n+o(1)nu_n = \frac{\ln n + o(1)}{n}, dus

xn=ln⁡n+ln⁡(1−un)=ln⁡n−un+O(un2)=ln⁡n−ln⁡nn+o(ln⁡nn).x_n = \ln n + \ln(1 - u_n) = \ln n - u_n + O(u_n^2) = \ln n - \frac{\ln n}{n} + o\Bigl(\frac{\ln n}n\Bigr).

Derde ronde: nu is un=ln⁡nn−ln⁡nn2+o(ln⁡nn2)u_n = \frac{\ln n}{n} - \frac{\ln n}{n^2} + o\bigl(\frac{\ln n}{n^2}\bigr), en ln⁡(1−un)=−un−un22+O(un3)\ln(1 - u_n) = -u_n - \frac{u_n^2}2 + O(u_n^3):

xn=ln⁡n−ln⁡nn+ln⁡nn2−(ln⁡n)22n2+o((ln⁡n)2n2)=ln⁡n−ln⁡nn−(ln⁡n)22n2+o((ln⁡n)2n2),x_n = \ln n - \frac{\ln n}n + \frac{\ln n}{n^2} - \frac{(\ln n)^2}{2n^2} + o\Bigl(\frac{(\ln n)^2}{n^2}\Bigr) = \ln n - \frac{\ln n}{n} - \frac{(\ln n)^2}{2n^2} + o\Bigl(\frac{(\ln n)^2}{n^2}\Bigr),

waarbij de term ln⁡nn2\frac{\ln n}{n^2} in o((ln⁡n)2n2)o\bigl(\frac{(\ln n)^2}{n^2}\bigr) wordt opgeslokt.

4. Bij n=1000n = 1000: ln⁡1000≈6.90776\ln 1000 \approx 6.90776 (fout 7⋅10−37\cdot10^{-3}); met twee termen 6.900856.90085 (fout 2⋅10−52\cdot10^{-5}); met drie termen 6.900826.90082 (fout onder 10−510^{-5}), tegenover x1000≈6.90083x_{1000} \approx 6.90083. Elke ronde koopt ruwweg de voorspelde factor ln⁡nn\frac{\ln n}{n}.

5. Twee partiële integraties, vanaf rechts: met  ⁣d ⁣dt[12t(1−t)]=12−t\frac{\dd}{\dd t}\bigl[\tfrac12t(1-t)\bigr] = \tfrac12 - t en t(1−t)t(1-t) dat in beide eindpunten verdwijnt, is

12∫01t(1−t)g′′(t) ⁣dt=−∫01(12−t)g′(t) ⁣dt=−[(12−t)g]01−∫01g=g(0)+g(1)2−∫01g.\frac12\int_0^1 t(1-t)g''(t)\dd t = -\int_0^1\Bigl(\frac12 - t\Bigr)g'(t)\dd t = -\Bigl[\Bigl(\frac12 - t\Bigr)g\Bigr]_0^1 - \int_0^1 g = \frac{g(0) + g(1)}2 - \int_0^1 g .

Herschikt is dat de gevraagde identiteit.

6. Bereken de toename en pas dan vraag 5 toe op g(t)=f(n+t)g(t) = f(n + t):

En+1−En=f(n+1)−∫nn+1 ⁣f−f(n+1)−f(n)2=f(n)+f(n+1)2−∫nn+1 ⁣f=12∫01t(1−t)f′′(n+t) ⁣dt.\begin{align*} E_{n+1} - E_n &= f(n{+}1) - \int_n^{n+1}\!f - \frac{f(n{+}1) - f(n)}2 \\ &= \frac{f(n) + f(n{+}1)}2 - \int_n^{n+1}\!f = \frac12\int_0^1 t(1-t)f''(n+t)\dd t . \end{align*}

Omdat 0≤t(1−t)≤140 \leq t(1-t) \leq \frac14, is ∣En+1−En∣≤18∫nn+1∣f′′∣\abs{E_{n+1} - E_n} \leq \frac18\int_n^{n+1}\abs{f''}, en de som daarvan over nn convergeert wegens de hypothese: (En)(E_n) convergeert (absoluut sommeerbare toenamen) naar zekere EE, met

∣E−En∣≤∑k≥n∣Ek+1−Ek∣≤18∫n∞∣f′′∣.\abs{E - E_n} \leq \sum_{k\geq n}\abs{E_{k+1} - E_k} \leq \frac18\int_n^\infty\abs{f''} .

7. Voor f(t)=1tf(t) = \frac1t is f′′(t)=2t3f''(t) = \frac2{t^3} en ∫1∞∣f′′∣=1<∞\int_1^\infty\abs{f''} = 1 < \infty. Vraag 6 geeft

Hn=ln⁡n+1+1n2+E+(En−E)=ln⁡n+(E+12)+12n+εn,H_n = \ln n + \frac{1 + \frac1n}{2} + E + (E_n - E) = \ln n + \Bigl(E + \frac12\Bigr) + \frac1{2n} + \varepsilon_n,

met ∣εn∣=∣En−E∣≤18∫n∞2 ⁣dtt3=18n2\abs{\varepsilon_n} = \abs{E_n - E} \leq \frac18\int_n^\infty\frac{2\dd t}{t^3} = \frac1{8n^2}. Vergelijking met Hn=ln⁡n+γ+o(1)H_n = \ln n + \gamma + o(1) (Voorbeeld 6.7) identificeert E+12=γE + \frac12 = \gamma.

8. Uit de formule voor de toename in vraag 6:

εn=En−E=−∑k≥n12∫01t(1−t) 2  ⁣dt(k+t)3=−∑k≥n(1k3∫01t(1−t) ⁣dt+O(1k4)),\varepsilon_n = E_n - E = -\sum_{k\geq n}\frac12\int_0^1 t(1-t)\,\frac{2\,\dd t}{(k+t)^3} = -\sum_{k \geq n}\Bigl(\frac1{k^3}\int_0^1t(1-t)\dd t + O\Bigl(\frac1{k^4}\Bigr)\Bigr),

met 1(k+t)3=1k3+O(1k4)\frac{1}{(k+t)^3} = \frac1{k^3} + O\bigl(\frac1{k^4}\bigr) uniform voor t∈[0, 1]t \in \intcc01. Met ∫01t(1−t)=16\int_0^1 t(1-t) = \frac16 en ∑k≥n1k3∼12n2\sum_{k\geq n}\frac1{k^3} \sim \frac{1}{2n^2} (Stelling 6.6):

εn=−16⋅12n2+o(1n2)=−112n2+o(1n2).\varepsilon_n = -\frac16\cdot\frac{1}{2n^2} + o\Bigl(\frac1{n^2}\Bigr) = -\frac{1}{12n^2} + o\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr).

9. Voor f=ln⁡f = \ln is f′′(t)=−1t2f''(t) = -\frac1{t^2}, absoluut integreerbaar. Vraag 6 geeft

ln⁡n!=∫1nln⁡t  ⁣dt+ln⁡n2+E+O(18∫n∞ ⁣dtt2)=(n+12)ln⁡n−n+1+E+O(1n),\ln n! = \int_1^n\ln t\,\dd t + \frac{\ln n}2 + E + O\Bigl( \frac1{8}\int_n^\infty\frac{\dd t}{t^2}\Bigr) = \Bigl(n + \frac12\Bigr)\ln n - n + 1 + E + O\Bigl(\frac1n\Bigr),

dus dn=1+E+O(1n)d_n = 1 + E + O\bigl(\frac1n\bigr): de convergentie van (dn)(d_n) — stap 1 van Stelling 6.13 — plus de snelheid O(1/n)O(1/n). (De waarde van de limiet volgens Stirling geeft E=ln⁡2π−1E = \ln\sqrt{2\pi} - 1.)

10. Voor f(t)=t−1/2f(t) = t^{-1/2} is f′′(t)=34t−5/2f''(t) = \frac34 t^{-5/2}, absoluut integreerbaar. Vraag 6 geeft

∑k=1n1k=2n−2+1+1n2+E+O(n−3/2)=2n+c+12n+O(n−3/2),\sum_{k=1}^n \frac1{\sqrt k} = 2\sqrt n - 2 + \frac{1 + \frac1{\sqrt n}}2 + E + O\bigl(n^{-3/2}\bigr) = 2\sqrt n + c + \frac{1}{2\sqrt n} + O\bigl(n^{-3/2}\bigr),

met c=E−32c = E - \frac32. Bij n=104n = 10^4: 2n=2002\sqrt n = 200, c≈−1.46035c \approx -1.46035, 12n=0.005\frac1{2\sqrt n} = 0.005: voorspeld 198.54465198.54465, en inderdaad is ∑k≤104k−1/2=198.544645…\sum_{k\leq10^4}k^{-1/2} = 198.544645\dots — drie termen, zeven cijfers.

11. t↦tln⁡tt \mapsto t\ln t is continu en strikt stijgend op [1, ∞)\intco1\infty (afgeleide ln⁡t+1≥1\ln t + 1 \geq 1), van 00 tot +∞+\infty: dus bestaat er een unieke xnx_n, en xn→∞x_n \to \infty (anders zou xnln⁡xnx_n\ln x_n begrensd blijven). Logaritmen nemen in xnln⁡xn=nx_n\ln x_n = n geeft ln⁡xn+ln⁡ln⁡xn=ln⁡n\ln x_n + \ln\ln x_n = \ln n; omdat ln⁡ln⁡xn=o(ln⁡xn)\ln\ln x_n = o(\ln x_n), geeft deling door ln⁡xn\ln x_n dat ln⁡nln⁡xn→1\frac{\ln n}{\ln x_n} \to 1: dus ln⁡xn∼ln⁡n\ln x_n \sim \ln n.

12. Uit xn=nln⁡xnx_n = \frac{n}{\ln x_n} en ln⁡xn∼ln⁡n\ln x_n \sim \ln n volgt xn∼nln⁡nx_n \sim \frac{n}{\ln n}. Volgende ronde: ln⁡ln⁡xn=ln⁡(ln⁡n (1+o(1)))=ln⁡ln⁡n+o(1)\ln\ln x_n = \ln\bigl(\ln n\,(1 + o(1))\bigr) = \ln\ln n + o(1), dus ln⁡xn=ln⁡n−ln⁡ln⁡n+o(1)\ln x_n = \ln n - \ln\ln n + o(1) en

xn=nln⁡n−ln⁡ln⁡n+o(1)=nln⁡n⋅11−ln⁡ln⁡n+o(1)ln⁡n=nln⁡n(1+ln⁡ln⁡nln⁡n+o(ln⁡ln⁡nln⁡n)).x_n = \frac{n}{\ln n - \ln\ln n + o(1)} = \frac{n}{\ln n}\cdot\frac{1}{1 - \frac{\ln\ln n + o(1)}{\ln n}} = \frac{n}{\ln n}\Bigl(1 + \frac{\ln\ln n}{\ln n} + o\Bigl(\frac{\ln\ln n}{\ln n}\Bigr)\Bigr).

13. Bij n=106n = 10^6: nln⁡n≈72 382\frac{n}{\ln n} \approx 72\,382 (18%18\% ernaast), met twee termen ≈86 140\approx 86\,140 (1.9%1.9\% ernaast), tegenover de werkelijke x≈87 848x \approx 87\,848. De winst per ronde is slechts de factor ln⁡ln⁡nln⁡n≈2.6313.8≈0.19\frac{\ln\ln n}{\ln n} \approx \frac{2.63}{13.8} \approx 0.19: logaritmische schalen convergeren tergend langzaam — een feit van het leven overal waar priemgetallen in het spel zijn.

14. Er zijn precies nn priemgetallen ≤pn\leq p_n (namelijk p1,…,pnp_1, \dots, p_n): dus π(pn)=n\pi(p_n) = n. De priemgetalstelling (aangenomen; volume van bachelorjaar 3) geeft n=π(pn)∼pnln⁡pnn = \pi(p_n) \sim \frac{p_n}{\ln p_n}, dat wil zeggen pn∼nln⁡pnp_n \sim n\ln p_n: dat is de vergelijking xln⁡x≈nx\ln x \approx n, achterstevoren gelezen. Logaritmen nemen: ln⁡pn=ln⁡n+ln⁡ln⁡pn+o(1)\ln p_n = \ln n + \ln\ln p_n + o(1), en ln⁡ln⁡pn=o(ln⁡pn)\ln\ln p_n = o(\ln p_n) dwingt ln⁡pn∼ln⁡n\ln p_n \sim \ln n af, net als in vraag 11. Terugsubstitueren geeft

pn∼nln⁡pn=n ln⁡n ln⁡pnln⁡n∼nln⁡n.p_n \sim n\ln p_n = n\,\ln n\,\frac{\ln p_n}{\ln n} \sim n\ln n .

15. (a) Leg ε>0\varepsilon > 0 vast; voor grote kk is (1−ε)kln⁡k≤pk≤(1+ε)kln⁡k(1 - \varepsilon)k\ln k \leq p_k \leq (1 + \varepsilon)k\ln k. Met de vergelijking met de stijgende tln⁡tt\ln t (insluiting van het type Stelling 6.6) is ∑k≤nkln⁡k=∫1ntln⁡t  ⁣dt+O(nln⁡n)=n2ln⁡n2−n24+O(nln⁡n)∼n2ln⁡n2\sum_{k\leq n}k\ln k = \int_1^n t\ln t\,\dd t + O(n\ln n) = \frac{n^2\ln n}2 - \frac{n^2}4 + O(n\ln n) \sim \frac{n^2\ln n}2. Bijgevolg is ∑k≤npk=n2ln⁡n2(1+O(ε)+o(1))\sum_{k\leq n}p_k = \frac{n^2\ln n}{2}(1 + O(\varepsilon) + o(1)) voor elke ε\varepsilon: dus ∑k≤npk∼n2ln⁡n2\sum_{k\leq n}p_k \sim \frac{n^2\ln n}2. (b) Volgens de priemgetalstelling is onder de gehele getallen tot 1010010^{100} een fractie ∼1ln⁡10100=1230.26…\sim \frac{1}{\ln 10^{100}} = \frac1{230.26\dots} priem: een uniform gekozen geheel getal van 100100 cijfers is priem met kans ongeveer 1230\frac1{230}.

16. Op (nπ, nπ+π2)\intoo{n\pi}{n\pi + \frac\pi2} is g(x)=tan⁡x−1xg(x) = \tan x - \frac1x continu en strikt stijgend (g′=1+tan⁡2x+1x2>0g' = 1 + \tan^2x + \frac1{x^2} > 0), met g→−1nπ<0g \to -\frac1{n\pi} < 0 aan de linkerkant en g→+∞g \to +\infty aan de rechterkant: dus precies één nulpunt xnx_n. Omdat tan⁡zn=tan⁡xn=1xn→0\tan z_n = \tan x_n = \frac1{x_n} \to 0 met zn∈(0, π2)z_n \in \intoo{0}{\frac\pi2}, volgt zn→0+z_n \to 0^+.

17. Er geldt tan⁡zn∼zn\tan z_n \sim z_n en 1xn∼1nπ\frac1{x_n} \sim \frac1{n\pi}: dus zn∼1nπz_n \sim \frac1{n\pi}.

18. Er is zn=arctan⁡1xnz_n = \arctan\frac1{x_n} met arctan⁡u=u+O(u3)\arctan u = u + O(u^3). Met zn=O(1n)z_n = O(\frac1n):

1xn=1nπ⋅11+znnπ=1nπ−znn2π2+O(1n4)=1nπ+O(1n3),\frac1{x_n} = \frac{1}{n\pi}\cdot\frac1{1 + \frac{z_n}{n\pi}} = \frac1{n\pi} - \frac{z_n}{n^2\pi^2} + O\Bigl(\frac1{n^4}\Bigr) = \frac1{n\pi} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr),

dus zn=1nπ+O(1n3)z_n = \frac1{n\pi} + O\bigl(\frac1{n^3}\bigr): de sport cn2\frac{c}{n^2} heeft coëfficiënt 00, omdat de eerste correctie op 1xn\frac1{x_n} zelf van de grootte znn2=O(n−3)\frac{z_n}{n^2} = O(n^{-3}) is.

19. Vul zn=1nπ+O(n−3)z_n = \frac1{n\pi} + O(n^{-3}) in de vorige formule in:

1xn=1nπ−1n3π3+O(1n5),\frac{1}{x_n} = \frac{1}{n\pi} - \frac{1}{n^3\pi^3} + O\Bigl(\frac1{n^5}\Bigr),

en dan zn=arctan⁡1xn=1xn−13(1xn)3+O(1n5)=1nπ−1n3π3−13n3π3+O(1n5)z_n = \arctan\frac1{x_n} = \frac1{x_n} - \frac{1}{3}\Bigl(\frac1{x_n}\Bigr)^3 + O\Bigl(\frac1{n^5}\Bigr) = \frac1{n\pi} - \frac{1}{n^3\pi^3} - \frac{1}{3n^3\pi^3} + O\Bigl(\frac1{n^5}\Bigr):

xn=nπ+1nπ−43π3n3+O(1n5).x_n = n\pi + \frac{1}{n\pi} - \frac{4}{3\pi^3n^3} + O\Bigl(\frac1{n^5}\Bigr).

20. Bij n=3n = 3: met één term 9.530889.53088, met drie termen 9.529299.52929, tegenover het werkelijke nulpunt 9.529339.52933: fouten 1.5⋅10−31.5\cdot10^{-3} en 5⋅10−55\cdot10^{-5}. Contrast: bij tan⁡x=x\tan x = x moet het nulpunt tan⁡\tan enorm maken, dus kruipt het tegen het rechter uiteinde nπ+π2n\pi + \frac\pi2 van het venster aan, op afstand ∼1nπ\sim\frac1{n\pi} vóór de asymptoot; bij xtan⁡x=1x\tan x = 1 moet het nulpunt tan⁡\tan minuscuul maken, dus ligt het net voorbij het linker uiteinde nπn\pi, op afstand ∼1nπ\sim\frac1{n\pi} na het nulpunt. Dezelfde methode, gespiegelde geografie.

21. Er geldt sin⁡u<u\sin u < u op (0, π)\intoo0\pi, en sin⁡\sin beeldt (0, π)\intoo0\pi af in (0, 1]⊆(0, π)\intoc01 \subseteq \intoo0\pi: na één stap ligt u1∈(0, 1]u_1 \in \intoc{0}{1}, en daarna daalt (un)(u_n) en is zij van onderen door 00 begrensd: zij convergeert dus naar een vast punt van sin⁡\sin, dat wil zeggen naar 00. Ontwikkeling: sin⁡u=u(1−u26+o(u2))\sin u = u(1 - \frac{u^2}6 + o(u^2)), dus

1un+12−1un2=1un2((1−un26+o(un2))−2−1)=1un2(un23+o(un2))⟶13.\frac{1}{u_{n+1}^2} - \frac1{u_n^2} = \frac{1}{u_n^2}\Bigl(\bigl(1 - \tfrac{u_n^2}6 + o(u_n^2)\bigr)^{-2} - 1\Bigr) = \frac{1}{u_n^2}\Bigl(\frac{u_n^2}{3} + o(u_n^2)\Bigr) \longrightarrow \frac13 .

22. Volgens Cesàro (volume van bachelorjaar 1) convergeert het gemiddelde van de toenamen naar dezelfde limiet:

1n⋅1un2=1n(1u02+∑k=0n−1(1uk+12−1uk2))⟶13,\frac{1}{n}\cdot\frac{1}{u_n^2} = \frac1n\Bigl(\frac1{u_0^2} + \sum_{k=0}^{n-1} \Bigl(\frac1{u_{k+1}^2} - \frac1{u_k^2}\Bigr)\Bigr) \longrightarrow \frac13 ,

dus un2∼3nu_n^2 \sim \frac3n en, omdat alle termen positief zijn, un∼3/nu_n \sim \sqrt{3/n}.

23. Volgens vraag 7 is ∣Hn−ln⁡n−γ−12n∣≤18n2\abs{H_n - \ln n - \gamma - \frac1{2n}} \leq \frac1{8n^2}. Bij n=106n = 10^6 is die grens 18⋅1012=1.25⋅10−13\frac{1}{8\cdot10^{12}} = 1.25\cdot10^{-13}: drie berekende termen leveren de harmonische som van een miljoen termen tot op dertien cijfers, met een volledig rigoureus foutcertificaat — en daar draait een asymptotische formule met expliciete restterm precies om.

24. (a) Waar: ln⁡un−ln⁡vn=ln⁡unvn→0\ln u_n - \ln v_n = \ln\frac{u_n}{v_n} \to 0 terwijl ln⁡vn→+∞\ln v_n \to +\infty, dus gaat de verhouding van de logaritmen naar 11. (b) Onwaar: un=n+1∼vn=nu_n = n + 1 \sim v_n = n, maar eun/evn=e≠1\eu^{u_n}/\eu^{v_n} = \eu \neq 1. Equivalentie verdraagt additieve fouten o(1)o(1) in de exponent, geen O(1)O(1). (c) Onwaar: f(x)=x+sin⁡(x2)∼g(x)=xf(x) = x + \sin(x^2) \sim g(x) = x bij +∞+\infty, maar f′(x)=1+2xcos⁡(x2)f'(x) = 1 + 2x\cos(x^2) oscilleert onbegrensd terwijl g′=1g' = 1: de afgeleiden van equivalente functies hoeven in het geheel niet vergelijkbaar te zijn.

25. De lus van Methode 6.22 liep drie keer identiek: lokaliseer het nulpunt, haal een ruwe term eruit, voer die terug voor de volgende orde — op ex+x=n\eu^x + x = n (Deel I), op xln⁡x=nx\ln x = n (Deel III) en op xtan⁡x=1x\tan x = 1 (Deel IV). De trapeziumcorrectie tilt de vergelijking van reeks en integraal op van “het verschil convergeert” naar een expliciete term f(1)+f(n)2\frac{f(1) + f(n)}2 met een gecertificeerde restterm O(∫n∞∣f′′∣)O(\int_n^\infty \abs{f''}) — constanten en foutbalken in plaats van louter convergentie. De brug naar de priemgetallen is zuivere omkering: de priemgetalstelling zegt π(x)ln⁡x≈x\pi(x)\ln x \approx x, dus lost pnp_n, gedefinieerd door π(pn)=n\pi(p_n) = n, een vergelijking xln⁡x=nx\ln x = n op — en erft haar asymptotiek. Regel (a) van vraag 24 legitimeerde elke overgang van un∼vnu_n \sim v_n naar ln⁡un∼ln⁡vn\ln u_n \sim \ln v_n (vragen 11 en 14); dat (b) onwaar is, is de reden dat we equivalenties nooit exponentiëren. De toppen: de formule van Euler–Maclaurin tot op de eerste orde (vraag 6), en de asymptotische wet pn∼nln⁡np_n \sim n\ln n voor het nn-de priemgetal (vraag 14).

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 395 begrippen in de begrippenlijst