Category Archives: Problems

Công thức Euler-Maclaurin

Công thức Euler-Maclaurin

f(0) + f(1) + f(2) + \cdots = \displaystyle{\int\limits_0^\infty\!dx\, f(x)} + \frac12 f(0) - \frac{f'(0)}{12} + \frac{f'''(0)}{720} + \cdots

rất hay được sử dụng trong vật lý, ví dụ trong bài toán về nghịch từ Landau, hay hiệu ứng Casimir. Hôm trước tôi có học mót được từ một người bạn cách chứng minh như sau.

Ta bắt đầu từ khai triển Taylor:

f (x+a) = f(x) + a \displaystyle{\frac{d f(x)}{d x}} + \frac{a^2}{2!} \frac{d^2 f(x)}{d x^2} + \frac{a^3}{3!} \frac{d^3 f(x)}{d x^3} + \cdots

Để cho tiện ta ký hiệu \mathrm{d}=d/dx. Ta có thể viết công thức trên như sau:

f (x+a) = \left(1+ a\mathrm{d}+ \displaystyle{\frac{(a\mathrm{d})^2}{2!}} +\cdots \right)f(x) = e^{a \mathrm{d}} f(x)

đo đó

f(0) + f(1) + f(2) + \cdots = (1+ e^{\mathrm{d}} + e^{2\mathrm{d}} + e^{3\mathrm{d}}+\cdots) f(x)|_{x=0}

Lấy tổng cấp số nhân trong ngoặc ta nhận được

f(0) + f(1) + f(2) + \cdots = \displaystyle{\frac1{1- e^{\mathrm{d}}}} f(x)|_{x=0}

Bây giờ ta lại khai triển hàm số (1-e^{\mathrm{d}})^{-1} thành chuỗi Taylor theo \mathrm{d}. Ta nhận được

\left(-\mathrm{d}^{-1}  + \displaystyle{\frac12} - \frac{\mathrm{d}}{12} + \frac{\mathrm{d}^3}{720} + \cdots\right) f(x)|_{x=0}

Bây giờ ta phải xác định \mathrm{d}^{-1} là gì. Nếu \mathrm{d} là đạo hàm thì tất nhiên \mathrm{d}^{-1} phải là tích phân. Giới hạn trên của tích phân thì theo công thức trên phải là 0, giới hạn dưới thì cứ lấy đại +\infty,

\mathrm{d}^{-1} = \displaystyle{\int\limits^0_{+\infty}\!dx}

Và như thế ta nhận được công thức Euler-MacLaurin ở trên.

Bài tập: tìm khai triển của

f\left(\displaystyle{\frac12}\right) + f\left(\displaystyle{\frac32}\right) + f\left(\displaystyle{\frac 52}\right) +\cdots - \displaystyle{\int\limits_0^\infty\!dx\, f(x)}

qua các đạo hàm của hàm số f(x) tại x=0.

Trả tiền nhuận bút

Một tờ tạp chí quy định trả tiền nhuận bút theo số trang. Bài dài n trang được trả

1+\displaystyle{\frac12}+\displaystyle{\frac13}+\cdots+\displaystyle{\frac1n}

đồng.

Bạn Tèo có một bài báo dài 1/2 trang được đăng. Hỏi toà soạn phải trả bạn bao nhiêu tiền?

Tổng Ramanujan

Có một công thức thường được gắn với tên Ramanujan:

1+2+3+4+\cdots = - \displaystyle{\frac1{12}}

Về mặt toán học công thức này có vẻ không thể nào đúng, nhưng trong vật lý công thức này rất nổi tiếng. Nó liên quan đến lực Casimir và xuất hiện nhiều trong lý thuyết dây. Bình thường công thức này có thể giải thích được qua hàm zeta Riemann: \zeta(-1)=-\frac1{12}. Tuy nhiên ta có thể “chứng minh” nó chỉ dùng toán sơ cấp. Các bạn có thể xem video

Bài tập:

1+1+1+1+\cdots = ?

1 \times 2 \times 3\times 4\times \cdots = ?

Vận tốc âm thanh và vận tốc thoát ly

Để vượt ra ngoài trường hấp dẫn của của trái đất cần vận tốc 11 km/s (vận tốc thoát ly, còn gọi là “tốc độ vũ trụ cấp 2”). Vận tốc này lớn hơn nhiều vận tốc âm thanh trong không khí, 330 m/s.

Liệu trong vũ trụ có hành tinh nào mà ở đó tốc độ âm thanh (trong khí quyển của nó) lớn hơn vận tốc thoát ly ra khỏi hành tinh đó?

Lord Kelvin and the heat transfer problem

Lord Kelvin argued that life on Earth had to be younger than 100 millions years, the time it takes for heat from the center of the Earth to diffuse to its surface. For if the Earth’s surface had been cool enough for life for more than 100 millions years, its molten core would have long lost all its heat, and the Earth now would be too cold for volcanic activities. Lord Kelvin’s claim was later discredited by the discovery of radioactivity, but his treatment of the heat transfer problem is widely accepted as correct.

Diffusion of heat is essentially a Brownian motion, in which the distance traveled is proportional to the square root of time. If it takes 100 millions years for heat to travel the radius of the Earth, i.e., 6000 km, then it would take 100 years for heat to travel 6 km. Scaling down further, it would take 3000 seconds for heat to go 6 m, and only 0.3 seconds for 6 cm.

Then why do I have to cook an egg in boiling water for 6 minutes???

Luộc trứng

Trứng gà có kích thước khoảng 5 cm chiều dài, luộc 6 phút thì ăn được. Trứng đà điểu kích thước 15 cm chiều dài, hỏi luộc bao nhiêu phút thì ăn được?

Hữu xạ tự nhiên hương

Phòng không lạnh ngắt như tờ. Ở góc phòng có một chậu cây, trên cây có một bông hoa. Tại thời điểm t=0 bông hoa nở. Phòng vẫn hoàn toàn tĩnh lặng. Hỏi sau bao nhiêu thời gian thì hương thơm của hoa tràn ngập khắp phòng?