巴塞尔问题

数学问题

巴塞尔问题是一个著名的数论问题,这个问题首先由義大利數學家皮耶特罗·门戈利英语Pietro_Mengoli在1644年提出,瑞士數學家莱昂哈德·欧拉於1735年解决。由于这个问题难倒了以前许多的数学家,年仅二十八岁的欧拉因此一举成名。欧拉把这个问题作了一番推广,他的想法后来被德國數學家黎曼在1859年的论文《论小于给定大数的质数个数》(Ueber die Anzahl der Primzahlen unter einer gegebenen Grösse)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倒数的和,也就是以下级数的和:

这个级数的和大约等于1.644934OEIS數列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;彼时他給出了一個錯誤的证明,真正严密的证明在1741年给出。

收敛性证明

利用放缩法可以简便地证明级数 有界,並由单调收敛定理得到收敛性。

注意到   。故

 

 

欧拉的錯誤證明

欧拉最初推导 的方法是聪明和新颖的。他假设有限多项式的性质对于无穷级数也是成立的。然而,欧拉沒有證明此一假设,且此一假設在一般情況下也是錯誤的。不過他计算了级数的部分和后发现,级数確實趨近 ,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泰勒级数展开式开始:

 

两边除以 ,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,并把所有有 的项收集在一起,我们可以看到,  的二次项系数为:

 

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

 

等式两边乘以 就可以得出所有平方数的倒数之和。

 

黎曼ζ函数

黎曼ζ函数ζ(s)是数学中的一个很重要的函数,因为它与素数的分布密切相关。这个函数对于任何实数部分大于1的复数s都是有定义的,由以下公式定义:

 

s = 2,我们可以看出ζ(2)等于所有平方数的倒数之和:

 

用以下的等式,可以证明这个级数收敛:

 

因此ζ(2)的上界小于2,因为这个级数只含有正数项,它一定是收敛的。可以证明,当s是正的偶数时,ζ(s)可以用伯努利数来表示。设 ,有以下公式:

 

严密的证明

以下介绍了一个 的证明。它是目前已知最基本的证明,大部分其它的证明都需要用到傅里叶分析复分析多变量微积分,但这个证明连一元微积分也不需要(在证明的最后部分需要使用极限的概念)。

考虑面积, 

 
 
 

这个证明的想法是把以下的部分和固定在两个表达式之间,这两个表达式当m趋于无穷大时都趋于 

 

这两个表达式从余切和余割的恒等式推出。而这些恒等式则从棣莫弗定理推出。

x为一个实数,满足0 < x < π/2,并设n为正整数。从棣莫弗定理和余切函数的定义,可得:

 

根据二项式定理,我们有:

 
 

把两个方程合并,由于相等的两个复数的虚数部分也一定相等,因此有:

 

固定一个正整数m,设n = 2m + 1,并考虑xr = r π/(2m + 1)对于r = 1、2、……、m。那么nxr是π的倍数,因此是正弦函数的零点,所以:

 

对于所有的r = 1、2、……、mx1、……、xm是区间(0, π/2)内不同的数。由于函数cot2 x在这个区间内是一一对应的,因此当r = 1、2、……、m时,tr = cot2 xr的值各不同。根据以上方程,这些m个"tr"是以下m次多项式的根:

 

根据韦达定理,我们可以直接从这个多项式的头两项计算出所有根的和,因此:

 

把恒等式csc2 x = cot2 x + 1代入,可得:

 

现在考虑不等式cot2 x < 1/x2 < csc2 x。如果我们把对于xr = r π/(2m + 1)的所有不等式相加起来,并利用以上的两个恒等式,便可得到:

 

把不等式乘以(π/(2m + 1))2,便得:

 

m趋于无穷大时,左面和右面的表达式都趋于 ,因此根据夹挤定理,有:

 

证毕。

二重积分的证明

首先考虑二重积分 的级数展开形式,其中区域D1x∈(0,1)且y∈(0,1)的正方形区域:

 

接下来考虑做如下变换:

 

相当于将正方形区域D1旋转45°之后变成D2,但仍然保持其形状与面积,其中正方形D2的四个顶点在(u,v)下的坐标分别是    

 

最后一行用到的是偶函数的性质化简积分,并且将加号前后的两个积分(包括前面的系数)简记为I1I2。先计算I1,下面变量代换设 ,则有 

 

类似地,再计算I2,下面变量代换设 ,则有 ,并且交换积分上下限从负号变回正号:

 

最终可以得到:

 

证毕。

傅里叶级数的证明

设有函数 ,其定义域为 。这个函数的傅里叶级数是:

 

根据帕塞瓦尔恒等式,我们有:

 

因此

 

证毕。

参考文献

外部链接