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级数的Cauchy乘积

  • 级数的Cauchy乘积

利用级数的Cauchy乘积证明:∑n=0∞1n!⋅∑n=0∞(−1)nn!=1\sum\limits_{n=0}^{\infty}\dfrac{1}{n!}\cdot \sum\limits_{n=0}^{\infty}\dfrac{(-1)^n}{n!}=1

思路: 什么是Cauchy乘积?

对于两个数列相乘的级数∑n=1∞anbn\sum\limits_{n=1}^{\infty} a_{n}b_{n}

将每一项都写出来
a1b1a1b2a1b3a1b4…\begin{array}{llllll}a_{1} b_{1} & a_{1} b_{2} & a_{1} b_{3} & a_{1} b_{4} & \ldots\end{array}
a2b1a2b2a2b3a2b4⋯\begin{array}{lllllll}a_{2} b_{1} & a_{2} b_{2} & a_{2} b_{3} & a_{2} b_{4} & \cdots\end{array}
a3b1a3b2a3b3a3b4…\begin{array}{lllll}a_{3} b_{1} & a_{3} b_{2} & a_{3} b_{3} & a_{3} b_{4} & \ldots\end{array}
a4b1a4b2a4b3a4b4⋯a_{4} b_{1} \quad a_{4} b_{2} \quad a_{4} b_{3} \quad a_{4} b_{4} \quad \cdots

按照对角线进行排列

image-20220825182615993

将每个对角线单独写出来,作为一个新的数列

c1=a1b1c_{1}=a_{1} b_{1},
c2=a1b2+a2b1c_{2}=a_{1} b_{2}+a_{2} b_{1},

⋯\cdots

cn=∑i+j=n+1aibj=a1bn+a2bn−1+⋯+anb1c_{n}=\sum\limits_{i+j=n+1} a_{i} b_{j}=a_{1} b_{n}+a_{2} b_{n-1}+\cdots+a_{n} b_{1},
则我们称

∑n=1∞cn=∑n=1∞(a1bn+a2bn−1+⋯+anb1)\sum_{n=1}^{\infty} c_{n}=\sum_{n=1}^{\infty}\left(a_{1} b_{n}+a_{2} b_{n-1}+\cdots+a_{n} b_{1}\right)

为级数 ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^{\infty} a_{n} 与 ∑n=1∞bn\sum\limits_{n=1}^{\infty} b_{n} 的 Cauchy 乘积.

我们可以将上边的过程用一个公式表示:

∑n=1∞anbn=∑n=1∞cn\sum\limits_{n=1}^{\infty} a_{n}b_{n}=\sum\limits_{n=1}^{\infty} c_{n}

解 设 ∑n=0∞1n!⋅∑n=0∞(−1)nn!=∑n=0∞cn\sum\limits_{n=0}^{\infty} \dfrac{1}{n !} \cdot \sum\limits_{n=0}^{\infty} \dfrac{(-1)^{n}}{n !}=\sum\limits_{n=0}^{\infty} c_{n}, 则 c0=1c_{0}=1, 且当 n⩾1n \geqslant 1 时, 应用Cauchy乘积与二项式展开

cn=∑i+j=n(−1)ji!⋅j!=1n!∑i+j=nn!i!⋅j!(−1)j=1n!(1−1)n=0c_{n}=\sum_{i+j=n} \frac{(-1)^{j}}{i ! \cdot j !}=\frac{1}{n !} \sum_{i+j=n} \frac{n !}{i ! \cdot j !}(-1)^{j}=\frac{1}{n !}(1-1)^{n}=0

所以

∑n=0∞1n!⋅∑n=0∞(−1)nn!=1.\sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n !} \cdot \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^{n}}{n !}=1 .