Формула Эйлера-Маклорена: разбор и применение

Формула Эйлера-Маклорена - главный мост между дискретной суммой и непрерывным интегралом . 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 , а - целые числа, . Тогда
где - числа Бернулли с чётными индексами, а - остаточный член. Слагаемое - поправка трапеций: если убрать асимптотическую сумму и остаток, останется классическая формула трапеций. Числа Бернулли дают поправки всё более высокого порядка к этой грубой квадратуре.
Иногда формулу записывают в эквивалентной форме без явного выделения концов:
Обе формы эквивалентны: разница - в том, входит ли в сумму или нет.
Числа Бернулли и периодические функции Бернулли
Числа Бернулли задаются производящим рядом
первые значения: , , , , , . Все нечётные при равны нулю, поэтому в формуле Эйлера-Маклорена остаются только чётные индексы. Знаки чередуются: положительны при нечётном и отрицательны при чётном, что важно для оценки остатка.
Полиномы Бернулли определяются рекурсивно: , , при , причём . Их 1-периодические продолжения (где - дробная часть) и составляют ядро остаточного члена.
Идея доказательства: интегрирование по частям
Простейший вывод - многократное интегрирование по частям на каждом отрезке . Ключевая база: для гладкой на
а функция - первый полином Бернулли. Дальше каждое следующее интегрирование по частям с даёт следующий член разложения. Просуммировав по от до и собрав телескопирующие слагаемые на концах, получаем формулу Эйлера-Маклорена с явным остатком
Остаточный член и его оценка
Главная особенность формулы Эйлера-Маклорена - ряд по числам Бернулли не сходится для большинства функций. Это асимптотический ряд: при фиксированном остаток быстро с ростом , но при для фиксированных он, как правило, расходится. Оптимальное выбирают там, где модуль очередного слагаемого начинает расти.
Стандартная оценка: для функций с фиксированным знаком остаток ограничен модулем первого отброшенного члена и имеет тот же знак:
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 . Берём , , и считаем:
Поскольку и , после аккуратного перехода к константе (которая выводится отдельно через формулу Валлиса) получаем
Главная часть - собственно формула Стирлинга; поправка - первый бернуллиевский член, - второй. Для уже два члена дают с точностью до .
Асимптотика гармонических чисел
Тот же приём для , , даёт
где - постоянная Эйлера-Маскерони, появляющаяся как константа интегрирования (предел разности ). Для первых трёх членов хватает, чтобы посчитать с точностью около - против дробного суммирования это огромный выигрыш.
Связь с дзета-функцией Римана
Применённая к , формула Эйлера-Маклорена даёт мощный инструмент аналитического продолжения. Для
где - символ Похгаммера. Правая часть аналитична по всюду, кроме простого полюса в , и тем самым продолжает на всю плоскость. Из формулы выводится и знаменитое замкнутое выражение для значений в чётных точках:
Отсюда , , и так далее. Для нечётных аргументов аналогичной замкнутой формы не существует.
Ускорение сходимости сумм
Любой сходящийся ряд с медленно убывающей можно ускорить, отделив «голову» и применив Эйлера-Маклорена к «хвосту» . Голова считается явно, хвост - через интеграл и асимптотический ряд. Этот трюк применяют, например, для : суммируя честно сотню членов, мы знаем с тремя знаками, а с Эйлером-Маклореном и тем же - с двенадцатью.
Связанная техника - формула трапеций с поправками Эйлера-Маклорена для гладких функций на отрезке. Если 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 . Полюс или разрыв производной обнуляет оценку остатка; нужно отдельно обрабатывать особую точку.
- Брать слишком большое и удивляться, что приближение портится. Ряд асимптотический: останавливайтесь на минимальном по модулю слагаемом.
- Путать (из производящего ряда) и (из «другой» условной нормировки). В формуле Эйлера-Маклорена не появляется в основной сумме - есть отдельное слагаемое .
- Забывать константу интегрирования при выводе или - без и без ответ будет смещён.
- Применять к , у которой производные неограниченно растут на (например, на длинном отрезке): остаток разнесёт всё разложение.
FAQ
Чем формула Эйлера-Маклорена отличается от формулы трапеций? Формула трапеций - это с ошибкой . Формула Эйлера-Маклорена даёт полное асимптотическое разложение этой ошибки по чётным степеням через числа Бернулли - то есть это «трапеции + все поправки».
Почему ряд расходится, если формула «точная»? Точное равенство - это «конечная сумма членов плюс остаток ». Сам бесконечный ряд обычно расходится: растёт как , и для большинства это перебивает убывание . Поэтому формулу применяют как асимптотическую - с оптимальным .
Можно ли применять её для нецелых пределов? Да, но при дробных или появляются дополнительные слагаемые с периодическими функциями Бернулли , и аккуратнее всего пользоваться обобщённой версией через формулу Абеля-Планы или прямо через интеграл по контуру.
Коротко
Формула Эйлера-Маклорена связывает дискретную сумму с интегралом плюс поправка трапеций плюс бернуллиевский асимптотический ряд от значений нечётных производных на концах. Ряд асимптотический, но усечение на правильном даёт сверхточные численные результаты. Её ключевые приложения - формула Стирлинга для , асимптотика , аналитическое продолжение и значения , а также ускорение сходимости медленных рядов и обоснование точности квадратурных формул на гладких функциях.
Читайте также

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.

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.

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.

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.

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.

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.