EssayAI
Блог
Блог
Математика и алгоритмы

Формула Эйлера-Маклорена: разбор и применение

22 марта 2026Время чтения: 7 минут
#формула Эйлера-Маклорена#числа Бернулли#асимптотические разложения#суммы и интегралы#численный анализ
Формула Эйлера-Маклорена: разбор и применение

Формула Эйлера-Маклорена - главный мост между дискретной суммой ∑k=abf(k)\sum_{k=a}^{b} f(k) и непрерывным интегралом ∫abf(x) dx\int_a^b f(x)\,dx. По духу это родственник формулы обращения Мёбиуса - ещё одного классического инструмента для перевода сумм в более удобную форму через вспомогательные числовые последовательности. Она появилась независимо у Эйлера (1735) и Маклорена (1742) как способ ускорить вычисление сумм рядов, а сегодня её используют для асимптотики факториала, оценок гармонических чисел, аналитического продолжения дзета-функции и оценок ошибки квадратурных формул. Разберём формулировку, идею доказательства, оценку остатка и пять-шесть рабочих приложений.

Формулировка

Пусть f∈C2n+1[a,b]f \in C^{2n+1}[a, b], а a,ba, b - целые числа, a<ba < b. Тогда

∑k=abf(k)=∫abf(x) dx+f(a)+f(b)2+∑k=1nB2k(2k)!(f(2k−1)(b)−f(2k−1)(a))+Rn,\sum_{k=a}^{b} f(k) = \int_a^b f(x)\,dx + \frac{f(a)+f(b)}{2} + \sum_{k=1}^{n} \frac{B_{2k}}{(2k)!}\bigl(f^{(2k-1)}(b) - f^{(2k-1)}(a)\bigr) + R_n,

где B2kB_{2k} - числа Бернулли с чётными индексами, а RnR_n - остаточный член. Слагаемое f(a)+f(b)2\tfrac{f(a)+f(b)}{2} - поправка трапеций: если убрать асимптотическую сумму и остаток, останется классическая формула трапеций. Числа Бернулли B2kB_{2k} дают поправки всё более высокого порядка к этой грубой квадратуре.

Иногда формулу записывают в эквивалентной форме без явного выделения концов:

∑k=ab−1f(k)=∫abf(x) dx−f(b)−f(a)2+∑k=1nB2k(2k)!(f(2k−1)(b)−f(2k−1)(a))+Rn.\sum_{k=a}^{b-1} f(k) = \int_a^b f(x)\,dx - \frac{f(b)-f(a)}{2} + \sum_{k=1}^{n} \frac{B_{2k}}{(2k)!}\bigl(f^{(2k-1)}(b) - f^{(2k-1)}(a)\bigr) + R_n.

Обе формы эквивалентны: разница - в том, входит ли f(b)f(b) в сумму или нет.

Числа Бернулли и периодические функции Бернулли

Числа Бернулли BkB_k задаются производящим рядом

tet−1=∑k=0∞Bkk!tk,\frac{t}{e^t - 1} = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{B_k}{k!} t^k,

первые значения: B0=1B_0 = 1, B1=−12B_1 = -\tfrac{1}{2}, B2=16B_2 = \tfrac{1}{6}, B4=−130B_4 = -\tfrac{1}{30}, B6=142B_6 = \tfrac{1}{42}, B8=−130B_8 = -\tfrac{1}{30}. Все нечётные B2k+1B_{2k+1} при k≥1k \ge 1 равны нулю, поэтому в формуле Эйлера-Маклорена остаются только чётные индексы. Знаки чередуются: B2kB_{2k} положительны при нечётном kk и отрицательны при чётном, что важно для оценки остатка.

Полиномы Бернулли Bk(x)B_k(x) определяются рекурсивно: B0(x)=1B_0(x) = 1, Bk′(x)=kBk−1(x)B_k'(x) = k B_{k-1}(x), ∫01Bk(x) dx=0\int_0^1 B_k(x)\,dx = 0 при k≥1k \ge 1, причём Bk(0)=BkB_k(0) = B_k. Их 1-периодические продолжения B~k(x)=Bk({x})\widetilde{B}_k(x) = B_k(\{x\}) (где {x}\{x\} - дробная часть) и составляют ядро остаточного члена.

Идея доказательства: интегрирование по частям

Простейший вывод - многократное интегрирование по частям на каждом отрезке [k,k+1][k, k+1]. Ключевая база: для гладкой ff на [0,1][0, 1]

∫01f(x) dx=f(0)+f(1)2−∫01(x−12)f′(x) dx,\int_0^1 f(x)\,dx = \frac{f(0)+f(1)}{2} - \int_0^1 \bigl(x - \tfrac{1}{2}\bigr) f'(x)\,dx,

а функция x−12=B1(x)x - \tfrac{1}{2} = B_1(x) - первый полином Бернулли. Дальше каждое следующее интегрирование по частям с Bk(x)B_{k}(x) даёт следующий член разложения. Просуммировав по kk от aa до b−1b-1 и собрав телескопирующие слагаемые на концах, получаем формулу Эйлера-Маклорена с явным остатком

Rn=−∫abB~2n+1(x)(2n+1)!f(2n+1)(x) dx.R_n = -\int_a^b \frac{\widetilde{B}_{2n+1}(x)}{(2n+1)!} f^{(2n+1)}(x)\,dx.

Остаточный член и его оценка

Главная особенность формулы Эйлера-Маклорена - ряд по числам Бернулли не сходится для большинства функций. Это асимптотический ряд: при фиксированном nn остаток Rn→0R_n \to 0 быстро с ростом b−ab - a, но при n→∞n \to \infty для фиксированных a,ba, b он, как правило, расходится. Оптимальное nn выбирают там, где модуль очередного слагаемого начинает расти.

Стандартная оценка: для функций с фиксированным знаком f(2n+2)f^{(2n+2)} остаток ограничен модулем первого отброшенного члена и имеет тот же знак:

∣Rn∣≤∣B2n+2∣(2n+2)! ∣f(2n+1)(b)−f(2n+1)(a)∣.|R_n| \le \frac{|B_{2n+2}|}{(2n+2)!}\,|f^{(2n+1)}(b) - f^{(2n+1)}(a)|.

Это и есть та самая «остановка по минимальному слагаемому», которая делает формулу пригодной для практических вычислений с заранее заданной точностью.

Формула Стирлинга

Самое известное приложение - асимптотика ln⁡n!\ln n!. Берём f(x)=ln⁡xf(x) = \ln x, a=1a = 1, b=nb = n и считаем:

ln⁡n!=∑k=1nln⁡k=∫1nln⁡x dx+ln⁡1+ln⁡n2+∑k=1∞B2k(2k)!(f(2k−1)(n)−f(2k−1)(1))+…\ln n! = \sum_{k=1}^{n} \ln k = \int_1^n \ln x\,dx + \frac{\ln 1 + \ln n}{2} + \sum_{k=1}^{\infty} \frac{B_{2k}}{(2k)!}\bigl(f^{(2k-1)}(n) - f^{(2k-1)}(1)\bigr) + \ldots

Поскольку ∫1nln⁡x dx=nln⁡n−n+1\int_1^n \ln x\,dx = n\ln n - n + 1 и f(2k−1)(x)=(−1)2k(2k−2)! x1−2kf^{(2k-1)}(x) = (-1)^{2k}(2k-2)!\,x^{1-2k}, после аккуратного перехода к константе (которая выводится отдельно через формулу Валлиса) получаем

ln⁡n!∼nln⁡n−n+12ln⁡(2πn)+112n−1360n3+11260n5−…\ln n! \sim n\ln n - n + \frac{1}{2}\ln(2\pi n) + \frac{1}{12n} - \frac{1}{360 n^3} + \frac{1}{1260 n^5} - \ldots

Главная часть nln⁡n−n+12ln⁡(2πn)n\ln n - n + \tfrac{1}{2}\ln(2\pi n) - собственно формула Стирлинга; поправка 112n\tfrac{1}{12 n} - первый бернуллиевский член, −1360n3-\tfrac{1}{360 n^3} - второй. Для n=10n = 10 уже два члена дают ln⁡10!\ln 10! с точностью до 10−810^{-8}.

Асимптотика гармонических чисел

Тот же приём для f(x)=1/xf(x) = 1/x, a=1a = 1, b=nb = n даёт

Hn=∑k=1n1k=ln⁡n+γ+12n−112n2+1120n4−…,H_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k} = \ln n + \gamma + \frac{1}{2n} - \frac{1}{12 n^2} + \frac{1}{120 n^4} - \ldots,

где γ≈0,5772156649\gamma \approx 0{,}5772156649 - постоянная Эйлера-Маскерони, появляющаяся как константа интегрирования (предел разности Hn−ln⁡nH_n - \ln n). Для n=100n = 100 первых трёх членов хватает, чтобы посчитать H100H_{100} с точностью около 10−910^{-9} - против дробного суммирования это огромный выигрыш.

Связь с дзета-функцией Римана

Применённая к f(x)=1/xsf(x) = 1/x^s, формула Эйлера-Маклорена даёт мощный инструмент аналитического продолжения. Для ℜs>1\Re s > 1

ζ(s)=∑k=1∞1ks=∑k=1N−11ks+1(s−1)Ns−1+12Ns+∑k=1nB2k(2k)!(s)2k−1Ns+2k−1+Rn(s),\zeta(s) = \sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{k^s} = \sum_{k=1}^{N-1} \frac{1}{k^s} + \frac{1}{(s-1)N^{s-1}} + \frac{1}{2 N^s} + \sum_{k=1}^{n} \frac{B_{2k}}{(2k)!} \frac{(s)_{2k-1}}{N^{s+2k-1}} + R_n(s),

где (s)m=s(s+1)⋯(s+m−1)(s)_m = s(s+1)\cdots(s+m-1) - символ Похгаммера. Правая часть аналитична по ss всюду, кроме простого полюса в s=1s = 1, и тем самым продолжает ζ(s)\zeta(s) на всю плоскость. Из формулы выводится и знаменитое замкнутое выражение для значений в чётных точках:

ζ(2k)=(−1)k+1(2π)2kB2k2(2k)!,k=1,2,3,…\zeta(2k) = \frac{(-1)^{k+1} (2\pi)^{2k} B_{2k}}{2(2k)!}, \quad k = 1, 2, 3, \ldots

Отсюда ζ(2)=π2/6\zeta(2) = \pi^2/6, ζ(4)=π4/90\zeta(4) = \pi^4/90, ζ(6)=π6/945\zeta(6) = \pi^6/945 и так далее. Для нечётных аргументов аналогичной замкнутой формы не существует.

Ускорение сходимости сумм

Любой сходящийся ряд ∑k=1∞f(k)\sum_{k=1}^{\infty} f(k) с медленно убывающей ff можно ускорить, отделив «голову» ∑k=1N−1f(k)\sum_{k=1}^{N-1} f(k) и применив Эйлера-Маклорена к «хвосту» ∑k=N∞f(k)\sum_{k=N}^{\infty} f(k). Голова считается явно, хвост - через интеграл и асимптотический ряд. Этот трюк применяют, например, для ∑1/k2\sum 1/k^2: суммируя честно сотню членов, мы знаем π2/6\pi^2/6 с тремя знаками, а с Эйлером-Маклореном и тем же N=100N = 100 - с двенадцатью.

Связанная техника - формула трапеций с поправками Эйлера-Маклорена для гладких функций на отрезке. Если ff периодична с периодом, кратным шагу сетки, все бернуллиевские поправки обращаются в ноль, и трапеции дают экспоненциальную точность - этим объясняется парадоксально высокое качество трапеций на периодических интегрантах.

Частые ошибки

  • Применять формулу к функции с особенностью внутри [a,b][a, b]. Полюс или разрыв производной обнуляет оценку остатка; нужно отдельно обрабатывать особую точку.
  • Брать слишком большое nn и удивляться, что приближение портится. Ряд асимптотический: останавливайтесь на минимальном по модулю слагаемом.
  • Путать B1=−1/2B_1 = -1/2 (из производящего ряда) и B1+=+1/2B_1^{+} = +1/2 (из «другой» условной нормировки). В формуле Эйлера-Маклорена B1B_1 не появляется в основной сумме - есть отдельное слагаемое (f(a)+f(b))/2(f(a)+f(b))/2.
  • Забывать константу интегрирования при выводе HnH_n или ln⁡n!\ln n! - без γ\gamma и без 12ln⁡(2π)\tfrac{1}{2}\ln(2\pi) ответ будет смещён.
  • Применять к ff, у которой производные неограниченно растут на [a,b][a, b] (например, f(x)=exf(x) = e^x на длинном отрезке): остаток разнесёт всё разложение.

FAQ

Чем формула Эйлера-Маклорена отличается от формулы трапеций? Формула трапеций - это ∫abf≈h2(f(a)+f(b))+h∑k=1N−1f(a+kh)\int_a^b f \approx \tfrac{h}{2}\bigl(f(a)+f(b)\bigr) + h\sum_{k=1}^{N-1} f(a+kh) с ошибкой O(h2)O(h^2). Формула Эйлера-Маклорена даёт полное асимптотическое разложение этой ошибки по чётным степеням hh через числа Бернулли - то есть это «трапеции + все поправки».

Почему ряд расходится, если формула «точная»? Точное равенство - это «конечная сумма nn членов плюс остаток RnR_n». Сам бесконечный ряд ∑B2k ⋅\sum B_{2k}\,\cdot обычно расходится: ∣B2k∣|B_{2k}| растёт как 2(2k)!(2π)2k\tfrac{2(2k)!}{(2\pi)^{2k}}, и для большинства ff это перебивает убывание 1/(2k)!1/(2k)!. Поэтому формулу применяют как асимптотическую - с оптимальным nn.

Можно ли применять её для нецелых пределов? Да, но при дробных aa или bb появляются дополнительные слагаемые с периодическими функциями Бернулли B~k\widetilde{B}_k, и аккуратнее всего пользоваться обобщённой версией через формулу Абеля-Планы или прямо через интеграл по контуру.

Коротко

Формула Эйлера-Маклорена связывает дискретную сумму ∑f(k)\sum f(k) с интегралом ∫f\int f плюс поправка трапеций плюс бернуллиевский асимптотический ряд от значений нечётных производных на концах. Ряд асимптотический, но усечение на правильном nn даёт сверхточные численные результаты. Её ключевые приложения - формула Стирлинга для ln⁡n!\ln n!, асимптотика Hn=ln⁡n+γ+O(1/n)H_n = \ln n + \gamma + O(1/n), аналитическое продолжение и значения ζ(2k)\zeta(2k), а также ускорение сходимости медленных рядов и обоснование точности квадратурных формул на гладких функциях.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также

Агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG и GROUP BY

Агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG и GROUP BY

Как работают агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG, MIN и MAX, группировка GROUP BY, порядок выполнения запроса, разница HAVING и WHERE и поведение NULL внутри агрегата.

24 сентября 20269 минут
Интегральный синус Si(x): ряд Тейлора и максимум

Интегральный синус Si(x): ряд Тейлора и максимум

Интегральный синус Si(x): почему интеграл sin t / t не берётся в элементарных функциях, разложение в ряд, предел π/2, максимум Si(π) и выброс Гиббса. С калькулятором.

24 сентября 202610 минут
Куча как структура данных: массив и просеивание

Куча как структура данных: массив и просеивание

Куча как структура данных: свойство кучи, хранение в обычном массиве и индексы 2i+1 и 2i+2, просеивание sift-up и sift-down, построение за O(n) и приоритетная очередь.

24 сентября 202610 минут
Линейная зависимость векторов: критерии и примеры

Линейная зависимость векторов: критерии и примеры

Что такое линейная зависимость векторов, как проверить её определителем и рангом матрицы, чем коллинеарность отличается от компланарности и как всё это связано с базисом.

24 сентября 202610 минут
Линейное уравнение второго порядка: общее решение

Линейное уравнение второго порядка: общее решение

Как решить линейное однородное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами: характеристическое уравнение, три случая корней, фундаментальная система и задача Коши с разбором.

24 сентября 202612 минут
Метод вариации постоянных: формулы и разбор примера

Метод вариации постоянных: формулы и разбор примера

Метод вариации произвольных постоянных: как из решений однородного уравнения собрать частное, зачем здесь определитель Вронского и когда быстрее оказывается подбор по виду правой части.

24 сентября 202611 минут