贝塞尔问题

巴塞尔问题是一个著名的数论问题,这个问题首先由皮耶特罗·门戈利在1644年提出,由莱昂哈德·欧拉在1735年解决。由于这个问题难倒了以前许多的数学家,欧拉一解出这个问题马上就出名了,当时他二十八岁。欧拉把这个问题作了一番推广,他的想法后来被黎曼在1859年的论文《论小于给定大数的质数个数》(On the Number of Primes Less Than a Given Magnitude)中所采用,论文中定义了黎曼ζ函数,并证明了它的一些基本的性质。这个问题是以瑞士的第三大城市巴塞尔命名的,它是欧拉和伯努利家族的家乡。这个问题是精确计算所有平方数的倒数的和,也就是以下级数的和: 

 这个级数的和大约等于1.644934(OEIS中的数列A013661)。巴塞尔问题是寻找这个数的准确值,并证明它是正确的。欧拉发现准确值是,并在1735年公布。他的证明还不是十分严密,真正严密的证明在1741年给出。

欧拉最初推导的方法是聪明和新颖的。他把有限多项式的观察推广到无穷级数,并假设相同的性质对于无穷级数也是成立的。当然,欧拉的想法不是严密的,还需要进一步证明,但他计算了级数的部分和后发现,级数真的趋于π^/6,不多不少。这给了他足够的自信心,把这个结果公诸于众。欧拉的方法是从正弦函数的泰勒级数展开式开始: 

 两边除以x,得: 

 现在,的根出现在,其中我们假设可以把这个无穷级数表示为线性因子的乘积,就像把多项式因式分解一样: 

 如果把这个乘积展开,并把所有的项收集在一起,我们可以看到, sinx/x的二次项系数为: 

 但从sinx/x原先的级数展开式中可以看出,x^2的系数是。这两个系数一定是相等的;因此, 

 等式两边乘以-π^2就可以得出所有平方数的倒数之和。 

证毕。

 

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