談談歐拉級數帶給我們的數學魅力

2020-12-04 電子通信和數學

歐拉起初的驚人之舉是給出了平方數的倒數和等於π^2/6,與歐拉同時代的數學家都沒能解決這個問題,所以歐拉在1734年給出這一結論時,曾引起轟動。因整個數列中沒有圓的蹤跡,結果卻出現了π,也很讓這個結果吸引眼球。

首先在我們不知情的情況下探討這個無窮級數是否收斂呢?

變形:將每個數寫成兩個乘積形式然後向後移一項,如下藍色部分

發現:綠色部分是一樣的,藍色部分上面比下面的小

綜合得出:紅色部分的級數要比歐拉級數的和要大

聰明的你會看出如下兩個有限級數是等價的:兩個數乘積等於兩個數之差

等於

整理:

得到:

所以最終得到無窮級數的和:

所以歐拉級數是收斂的:

熱身結束了,我們怎麼來證明歐拉級數準確數值呢

首先sinX=0是個三角函數方程,那麼X解肯定有無窮多個,可以寫成:

學過導數的話,對sinX求一次導數,二次導數:

在X=0時得到b的值:

以此類推不斷求導,我們就計算出了sinx方程的所有係數得到:

所有的函數都可以這樣來構造成級數的形式,一次方程,二次曲線方程都可以。

歐拉從另外一種思路構建sinX的多項式:

sinX方程的根是:

-π到π之間含有sinX=0 方程的三個解: 0,π-π,其次用曲線來逼近正弦函數,所以多了一個係數c,最終形式為:

只要逼近曲線在sin函數所在的0點斜率相同,就能完全吻合:觀察不難得到C值:

整理得到

以此類推得到以根的形式表示sinX的多項式

那麼sinX有兩種表達式的形式,而且是相等的

我們將根的多項式一項一項乘下去發現:

得到:

這就是歐拉級數的原理

比較X^5的係數你就會得到:

繼續觀察就得到著名的沃利斯級數:

沃利斯級數中:分子是全體偶數平方的乘積,分母是全體奇數平方的乘積,所以非常神奇。

這都是歐拉級數原理中所展現出來的數學魅力。

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