Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

2.3 Series, summations, and progressions

27

 

 

2.3Series, summations, and progressions

Progressions and summations

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

Sn = a+ (a+ d) + (a+ 2d) + · · ·

 

 

 

 

 

 

 

n

 

number of terms

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ [a+ (n− 1)d]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.102)

Sn

 

sum of n successive

 

Arithmetic

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

terms

 

progression

=

n

[2a+ (n− 1)d]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.103)

a

 

first term

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

common di erence

 

 

=

 

(a+ l)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.104)

l

 

last term

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sn = a+ ar + ar2 +

· · ·

+ arn−1

 

 

 

 

 

 

 

(2.105)

 

 

 

 

Geometric

= a

 

1 − rn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.106)

r

 

common ratio

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

progression

 

 

 

 

 

 

 

 

1

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S=

 

 

 

 

a

 

 

 

(|r| < 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.107)

 

 

 

 

 

1 − r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Arithmetic

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

(x1 + x2 + · · · + xn)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mean

x a =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.108)

.

a

arithmetic mean

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Geometric

x g = (x1x2x3 ...xn)

1/n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.109)

.

 

geometric mean

 

mean

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x h = n

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Harmonic mean

 

 

 

 

+

 

+ · · · +

 

 

 

 

 

 

 

(2.110)

.

h

harmonic mean

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

x2

 

xn

 

 

 

 

 

 

Relative mean

x a x g x h

 

 

 

if xi > 0 for all i

(2.111)

 

 

 

 

magnitudes

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i =

n

(n+ 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.112)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i2 =

n

(n+ 1)(2n+ 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.113)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i3 =

n2

(n+ 1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.114)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Summation

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

+ 3n− 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

formulas

 

i

=

 

(n+ 1)(2n+ 1)(3n

(2.115)

i

 

dummy integer

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(−1)i+1

= 1

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

+ ... = ln2

(2.116)

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

3

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(−1)i+1

= 1

1

 

+

1

 

1

 

+ ... =

π

 

(2.117)

 

 

 

 

 

i=1 2i

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

3 5

 

7

 

 

 

π2

4

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 1 +

 

 

 

+

 

+

 

 

 

+ ... =

 

 

 

 

 

 

(2.118)

 

 

 

 

 

i=1

 

i2

 

4

9

16

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Euler’s

γ

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

+

 

 

 

+

1

 

 

lnn

 

 

(2.119)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γ

 

Euler’s constant

 

constanta

= n→∞ 1 + 2

 

 

3

 

 

 

· · ·

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aγ 0.577215664...

28 Mathematics

Power series

Binomial

(1 + x)n = 1 + nx+

n(n− 1)

x2

+

n(n− 1)(n− 2)

x3

+

· · ·

 

 

(2.120)

seriesa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Binomial

n

 

n

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cr r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.121)

coe cientb

 

r!(nr)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Binomial

 

n

 

n

 

 

 

n

k

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

theorem

(a+ b)

= k=0

k a b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.122)

Taylor series

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

 

 

 

 

 

 

x2

 

(2)

 

 

 

 

 

 

 

xn−1

 

 

 

(n

1)

 

 

(about a)c

f(a+ x) = f(a) + xf

 

(a) +

 

 

f

 

 

(a) + · · · +

 

 

 

 

f

 

 

(a) + · · ·

(2.123)

 

2!

 

 

(n

1)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Taylor series

f(a + x) = f(a) + (x

 

)f

a +

(x · )2

f

a +

(x · )3

f

a

+

· · ·

 

(2.124)

(3-D)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

·

|

 

 

 

 

 

2!

|

 

 

 

3!

 

 

 

|

 

 

 

 

 

 

Maclaurin

 

 

 

 

(1)

 

 

 

 

 

x2

(2)

 

 

 

 

 

 

 

xn−1

 

 

 

(n

 

1)

 

 

 

 

series

f(x) = f(0) + xf

 

 

(0) +

 

f

 

 

(0) + · · ·

+

 

 

 

 

f

 

 

 

(0) + · · ·

(2.125)

 

 

2!

 

 

(n

1)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aIf n is a positive integer the series terminates and is valid for all x. Otherwise the (infinite) series is convergent for

|x| < 1.

bThe coe cient of xr in the binomial series.

cxf(n)(a) is x times the nth derivative of the function f(x) with respect to x evaluated at a, taken as well behaved around a. (x · )nf|a is its extension to three dimensions.

Limits

ncxn → 0

as

n → ∞

if |x| < 1 (for any fixed c)

 

(2.126)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xn/n! → 0 as

n → ∞ (for any fixed x)

 

 

 

 

(2.127)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1 + x/n)n → ex

as

n → ∞

 

 

 

 

 

 

 

(2.128)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xlnx → 0

as x → 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.129)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sinx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

→ 1

as

x → 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.130)

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(x)

=

f(1)(a)

(l’Hopital’sˆ rule)

(2.131)

If

f(a) = g(a) = 0 or

then

lim

 

 

 

 

 

g(1)(a)

 

 

 

 

 

 

 

xa g(x)

 

 

 

2.3 Series, summations, and progressions

29

 

 

Series expansions

exp(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(for all x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + x+ 2! + 3! + · · ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.132)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln(1 + x)

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

x3

 

 

 

 

x4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

+ · · ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.133)

(−1 < x ≤ 1)

 

 

 

 

 

 

2

 

 

3

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

1 + x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

x5

 

 

 

 

 

x7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

x+

 

+

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+ · · ·

 

 

(2.134)

(|x| < 1)

 

1 − x

 

 

 

3

5

7

 

 

 

cos(x)

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

x4

 

 

 

 

 

x6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(for all x)

 

 

 

1 − 2! +

4!

6! + · · ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.135)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin(x)

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

x5

 

 

 

 

 

x7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(for all x)

 

 

 

x3! +

5!

7! + · · ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.136)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tan(x)

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

2x5

 

 

17x7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

· · ·

 

 

 

 

 

 

(2.137)

(|x| < π/2)

 

 

3

 

 

15

 

 

 

315

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sec(x)

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

5x4

 

61x6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 +

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

+ · · ·

 

 

 

(2.138)

(|x| < π/2)

 

 

2

 

 

24

 

 

720

 

 

csc(x)

 

1

 

 

 

x

 

 

 

7x3

 

 

31x5

 

+ · · ·

 

 

 

(|x| < π)

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.139)

 

 

 

x

6

 

 

360

15120

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cot(x)

 

1

 

 

 

x

 

 

 

x3

 

 

 

 

2x5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− · · ·

 

 

 

 

 

 

(2.140)

(|x| < π)

 

 

 

x

3

 

 

45

945

 

 

 

 

 

 

 

 

arcsin(x)a

x+

1

 

 

x3

+

 

1 · 3

x5

+

 

 

1 · 3 · 5

 

x7

 

(2.141)

( x

< 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 3 2

·

4 5 2

·

4

·

6 7 · · ·

 

| |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

x5

 

 

 

x7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

+ · · ·

 

 

 

 

 

 

(|x| ≤ 1)

 

 

 

 

 

 

3

5

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arctan(x)

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.142)

(x > 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

· · ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

x

 

 

 

3x

 

 

5x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

1 + 13

 

 

 

 

 

 

 

15 +

 

 

 

 

(x < −1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

x

 

3x

5x

 

 

 

 

· · ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

x

4

 

 

 

 

 

x

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosh(x)

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(for all x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + 2! +

4! +

6! + · · ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.143)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sinh(x)

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

x5

 

 

 

 

 

x7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(for all x)

 

 

 

x+ 3! +

5! +

7! + · · ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.144)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tanh(x)

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

2x5

 

 

17x7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

+

 

 

 

+ · · ·

 

 

 

(2.145)

(|x| < π/2)

 

 

3

15

 

315

 

 

 

 

 

aarccos(x) = π/2 − arcsin(x). Note that arcsin(x) ≡ sin−1(x) etc. barccot(x) = π/2 − arctan(x).

30 Mathematics

Inequalities

Triangle

|a1| − |a2| ≤ |a1 + a2| ≤ |a1| + |a2| ;

 

 

(2.146)

inequality

 

 

 

 

|ai|

 

 

 

 

 

 

(2.147)

n

ai

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

if

a1

 

a2

a3

...

an

 

 

(2.148)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Chebyshev

and

 

 

b1 b2 b3

... bn

bi

 

(2.149)

inequality

then

 

n

n

aibi

n

 

ai n

 

(2.150)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

i=1

i=1

 

 

 

 

n

 

 

 

2

 

n

 

n

 

 

 

 

Cauchy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

inequality

 

 

aibi

 

ai2

 

bi2

 

 

(2.151)

 

i=1

 

 

 

 

i=1

 

i=1

 

 

 

inequality

a

f(x)g(x) dx

a

[f(x)]2 dx a

[g(x)]2 dx

(2.152)

Schwarz

b

 

 

 

 

 

 

2

 

 

b

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Complex variables Complex numbers

 

 

 

 

 

 

 

z

 

complex variable

Cartesian form

z = x+ iy

(2.153)

i

 

i

2

= −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x,y

real variables

 

 

 

 

 

r

 

amplitude (real)

Polar form

z = reiθ = r(cosθ + isinθ)

(2.154)

 

 

 

 

 

 

 

 

θ

 

phase (real)

 

 

 

 

 

 

 

 

Modulusa

|z| = r = (x2 + y2)1/2

(2.155)

z

|

modulus of z

 

|z1 · z2| = |z1| · |z2|

(2.156)

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ = argz = arctan

y

 

(2.157)

 

 

 

 

 

Argument

x

argz

argument of z

 

 

 

 

arg(z1z2) = argz1 + argz2

(2.158)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Complex

z = x

iy = re−iθ

(2.159)

z

 

 

 

arg(z ) = − argz

(2.160)

complex conjugate of

conjugate

 

 

z = reiθ

 

z · z = |z|2

(2.161)

 

 

 

 

 

Logarithmb

lnz = lnr + i(θ + 2πn)

(2.162)

n

 

integer

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aOr “magnitude.”

bThe principal value of lnz is given by n = 0 and −π < θ π.

2.4 Complex variables

31

 

 

Complex analysisa

 

 

if

f(z) = u(x,y) + iv(x,y)

 

 

Cauchy–

 

then

 

∂u

=

∂v

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.163)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Riemann

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

∂y

 

 

 

 

 

 

equationsb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

 

 

 

 

 

 

∂v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

 

 

 

 

(2.164)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cauchy–

 

c f(z) dz = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Goursat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.165)

theoremc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cauchy

 

f(z0) =

1

 

 

 

 

f(z)

 

dz

 

(2.166)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

integral

 

 

 

2πi c z z0

 

 

formulad

 

f(n)(z0) =

n!

 

c

 

 

f(z)

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

(2.167)

 

2πi

(z z0)n+1

 

 

 

f(z) =

 

 

 

an(z z0)n

 

(2.168)

Laurent

e

 

 

 

 

 

 

 

n=−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

expansion

 

 

 

 

 

 

1

 

 

c

f(z )

dz

 

 

 

where

 

 

an =

 

 

(2.169)

 

 

 

 

2πi

(z z0)n+1

Residue

 

c f(z) dz = 2πi enclosed residues

(2.170)

theorem

 

z

complex variable

 

i

i2 = −1

2

x,y

real variables

f(z)

function of z

 

u,v

real functions

 

(n)

nth derivative

 

an

Laurent coe cients

a−1

residue of f(z) at z0

z

dummy variable

y

c2

c1

cz0

x

aClosed contour integrals are taken in the counterclockwise sense, once. bNecessary condition for f(z) to be analytic at a given point.

cIf f(z) is analytic within and on a simple closed curve c. Sometimes called “Cauchy’s theorem.” dIf f(z) is analytic within and on a simple closed curve c, encircling z0.

eOf f(z), (analytic) in the annular region between concentric circles, c1 and c2, centred on z0. c is any closed curve in this region encircling z0.