論數學之美——歐拉及其對著名的巴塞爾問題的精確解(推導)

2020-12-12 老胡說科學

被許多人認為是「自古以來最偉大的數學家」的德國數學家、天文學家和物理學家卡爾·弗裡德裡希·高斯曾經說過:

研究歐拉的著作將仍然是不同數學領域的最佳流派,沒有任何東西可以取代它——卡爾·弗裡德裡希·高斯

圖1:卡爾·弗裡德裡希·高斯的肖像,被稱為「自古以來最偉大的數學家」本文將描述瑞士數學家萊昂哈德·歐拉如何解決著名的巴塞爾問題。歐拉是歷史上最偉大的數學家之一。他還是一個多產的數學家,他的作品集共92卷。皮埃爾西蒙·德·拉普拉斯評價歐拉對數學的影響,他有一句名言:

讀歐拉,讀歐拉,他是我們所有人的主人。——皮埃爾西蒙拉普拉斯

圖2.歐拉

巴塞爾問題

1650年,義大利數學家皮埃特羅蒙格利首次提出了巴塞爾問題,1734年,歐拉解決了這個問題,讓他立即得到認可。這個問題要求自然數平方的倒數之和:

式1:巴塞爾問題

許多有影響力的數學家試圖找到平方和的倒數之和的公式。微積分的兩位共同發明人約翰·沃利斯和戈特弗裡德·萊布尼茨都曾嘗試過,但都以失敗告終。歐拉在他還年輕的時候(28歲)就解決了這個問題,他的答案讓數學界感到驚訝。他的第一個證明(後來他又提供了其他幾個證明)絕不是嚴謹的,但它的美麗、簡單和獨創性是驚人的。

圖3:巴塞爾歐拉的故鄉

歐拉的獨到見解是寫下了sinc(πx)函數:

式2

作為乘積除以它的零。

圖4:歸一化和非歸一化sinc(x)函數(分別用藍色和紅色表示)為了理解這一點,考慮一下,例如,下面的四次多項式寫成因式分解形式:

式3

將表達式展開得到:

式4

歐拉的策略是將同樣的擴展應用到超越函數上。這類函數不滿足多項式方程,如公式(4)。指數函數、三角函數和對數函數是三個著名的例子。

圖5:指數函數(源)、對數函數(源)和三角函數(源)的繪圖。sinc(πx)函數具有以下根:

式5

歐拉繼續將sinc(x)寫成與等式3中的f(x)相同的形式。使用基本的數學恆等式

由於公式5中的每個根都有一個對應的負根,所以他可以這樣寫:

式6

下一步是把方程6中的項乘起來,但只關注平方項:

公式7

泰勒級數

泰勒級數是函數的無窮項和的表示。每一項都是從函數在一個點處的導數值計算出來的。

圖6:增加泰勒級數的次數,它收斂到正確的函數。黑色的曲線表示sin(x)其他的曲線是泰勒近似,是次數為1、3、5、7、9、11、13的多項式。圖6所示的七泰勒級數有如下代數形式:

式8:與函數sin(x)對應的幾個度的泰勒多項式。這些函數的曲線如圖6所示。sinc(x)函數的泰勒展開式為:

式9:sinc(πx)的泰勒級數。人們可以把公式. 8看作是一個無限次的「偽多項式」。這種偽多項式有無窮個根。方程5給出了根。

比較兩個結果

比較式7和式9,我們得到了我們想要的結果:

式10:巴塞爾問題的歐拉解另外,歐拉的推導為我們提供了著名的沃利斯問題。把x = 1/2代入方程6,求它的倒數。我們得到:

式10

一個嚴格的證明

最後,我們將看到如何獲得歐拉結果的嚴格證明(該證明的作者是Daniel )。考慮到:

式11:Daniel 在證明巴塞爾問題時引入的輔助功能。(通常是用另一種形式寫的)。然後定義數字E(n)並計算它,對公式11第二次等式後的表達式進行積分:

式12:數字E(n)的定義。很明顯,對於偶數k,右邊的和是0。因此,可以用(2k-1)代替k,只考慮E的子索引為奇數的項:

公式13:僅當E的子索引為奇數值時,才有式12現在,為了完成證明,我們需要證明這個表達式消失了。由於這個演示非常費力,而且沒有什麼啟發性,所以我們將省略它。其結果是:

式14:證明成立的必要條件

式15:用簡單的代數運算得到最終結果。

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