理论教育 巴塞尔问题的欧拉公式及其数学之外用法

巴塞尔问题的欧拉公式及其数学之外用法

时间:2023-11-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:于是,这个问题被冠以伯努利家乡巴塞尔的名字公之于世,被称为“巴塞尔问题”。然而,1735年年仅28岁的欧拉解决了这个问题,并因此而成名。欧拉求出的和是π2/6,即我们也称它为欧拉公式。而更让人佩服的是欧拉求出这个值的方法是如此巧妙。,与多项式类比,应有将上式右边乘积展开,并和前面的无穷级数表示比较x2的系数,立即就得到欧拉的公式。

巴塞尔问题的欧拉公式及其数学之外用法

无穷多个数相加称为无穷级数。我们知道无穷多个相同的正数相加,和一定是无穷大。那么,如果相加的数越来越小呢?此时级数的和有可能是有限的,比如,公比为0<q<1的等比数列的无穷和就是有限的。人们也早已知道,对如下的级数:

其和也是有限的。这是由于其部分和

上述级数的和到底是多少呢?这个问题首先由皮耶特罗·门戈利(Pietro Mengoli,1626—1686)在1644年提出,许多数学家尝试过这个问题,比如,微积分发明人之一莱布尼兹(Gottfried Wilhelm Leibniz,1646—1716)考虑过这个问题,雅各布·伯努利(Jakob Bernoulli,1654—1705)也考虑过这个问题,但他们都失败了。于是,这个问题被冠以伯努利家乡巴塞尔的名字公之于世,被称为“巴塞尔问题”。然而,1735年年仅28岁的欧拉解决了这个问题,并因此而成名。欧拉求出的和是π2/6,即

我们也称它为欧拉公式。这是一个惊人的成果,这不仅仅是因为欧拉解决了一个长期没有解决的问题,还因为欧拉得到的结果实在惊人:一些自然数倒数的和居然出现了圆周率π,真是不可思议!而更让人佩服的是欧拉求出这个值的方法是如此巧妙。下面我们就介绍欧拉的方法。

欧拉的方法是类比。我们知道如果一个n次多项式Pn(x)的零点是x1,x2,…xn,并且它们都不为零,则可以表示为

Pn(x)=a0(1-x/x1)(1-x/x2)…(1-x/xn),(www.daowen.com)

这里a0是多项式Pn(x)的常数项。

欧拉联想到正弦函数有一个无穷级数表示:

而左端函数的零点是±π,±2π,±3π,…,与多项式类比,应有

将上式右边乘积展开,并和前面的无穷级数表示比较x2的系数,立即就得到欧拉的公式。真是绝妙!当然,欧拉的计算并不严密,以后他又给出了严格的证明,但欧拉思考问题的方法值得我们学习。欧拉后来把这个问题作了推广,他的想法被黎曼(Georg Friedrich Beruhard Riemann,1826—1866)所发展,定义了黎曼ζ-函数,我们在后面再作介绍。

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