黎曼吧 关注:454贴子:1,237

1/1^2+1/2^2+1/3^2+..+1/n^2+..的22种解法

只看楼主收藏回复

如何计算这个问题是在1644年由意大利数学家蒙哥利(Pietro Mengoli)提出的,而大数学家欧拉于1735年第一次解决了这个问题。
他得出著名的结果:
解决这个问题的方法在近代不断涌现。这里我从各处摘抄到一些方法,列举在此,仅供大家参考。
如有错误,请向我指出,谢谢
首先,我们需要知道这个问题的等价形式,将这个数列除以4,我们自然得到

从而我们只需证明

而以下某些证明会用到这一点


1楼2014-07-12 15:11回复
    证明1:欧拉的证明
    欧拉的证明是十分聪明的。他只是将幂级数同有限的多项式联系到了一起,就得到了答案。首先注意到

    从而

    但是sin(x)/x的根集为
    故我们可以假定

    (PS:欧拉似乎没有证明这个无穷积,直到100年后魏尔斯特拉斯得到了他著名的“魏尔斯特拉斯分解定理”(Weierstrass factorization theorem,详情可见wiki相应条目)。利用这个方法得到函数时要特别小心,我以前看到的一个反例(http://tieba.baidu.com/p/1083636713)就可以说明这个问题)
    从而我们对这个无穷乘积的x^2项进行研究,可以知道

    所以
    就有了答案


    2楼2014-07-12 15:12
    回复
      证明3:数学分析的证明
      这个证明来自Apostol在1983年的“Mathematical Intelligencer”,只需要简单的高数知识。
      注意到恒等式

      利用单调收敛定理(Monotone Convergence Theorem),立即得到

      通过换元(u,v)=((x+y)/2,(y-x)/2),就有

      S为点(0,0),(1/2,-1/2),(1,0),(1/2,1/2)构成的正方形,由正方形对称性有

      利用恒等式arctan(u/sqrt(1-u^2))=arcsinu,arctan((1-u)/sqrt(1-u^2))=pi/4-(1/2)arcsinu得到


      4楼2014-07-12 15:13
      回复
        证明4:数学分析的证明
        (Calabi, Beukers & Kock.)同样利用上一问的结论,不过这次我们计算的是:

        做代换

        从而有

        雅可比行列式即为

        从而
        其中也就是等式成立!


        5楼2014-07-12 15:14
        回复
          证明5:复分析的证明
          这个证明在很多复分析书上都有。我们同样可以利用留数计算该结果,考虑,积分路径P[n]为在中心为原点的长形如图

          实轴交点为±(n+1/2),复轴交点为±n,若z=x+iy,就有

          ,从而很容易就能知道|cot(πz)|<2对每根积分曲线成立,于此同时,|z|>=n成立,就有

          成立,在n区域无穷大,该函数趋于0

          而每一点的留数,计算有就可以得到


          6楼2014-07-12 15:14
          回复
            证明6:复数积分的证明
            本证明由Dennis C.Russell给出。考虑积分

            利用cos的欧拉公式,也就是
            就有
            积分得知

            再利用ln(1+x)的泰勒展开
            从而积分就有

            但e^(i*pi)=-1,变为

            故如前面式子有
            由于左边是实数,右边是纯虚数,从而只能两边都为0,即

            这还给了我们一个副产品,就是


            7楼2014-07-12 15:19
            回复
              证明7:泰勒公式证明
              (Boo Rim Choe 在1987 American Mathematical Monthly上发表)
              利用反三角函数arcsinx的泰勒展开,

              对于|x|<=1成立,令x=sint有
              (1)
              对|t|<=pi/2成立,但是由于积分

              所以在(1)两边积分就有

              证毕


              8楼2014-07-12 15:20
              回复
                证明8:复分析证明
                PS:个人这个证明感觉相当漂亮,基本没怎么算
                (T. Marshall 在American Math Monthly,2010)对于

                这个和是对于每一个log的分支加起来,在D中的所有点,存在领域使得它的每一个分支都解析,由于这个级数在z=-1以外一致收敛,所以R(z)在D上解析
                从而这里有几个Claim:
                1.z->0则级数每一项都趋于0,从而0是可取奇点
                2.R的唯一奇点是在1的二阶奇点,是由于logz的主分支造成的,有

                3.R(1/z)=R(z)
                由于 1.和 3.有 R在扩充复平面上为亚纯函数,从而为有理函数,由2知道R(z)分母为(z-1)^2,由于R(0)=R(∞)=0,所以分子就是az,那么2说明a=1,就是说

                现在令得到

                也就是说,代入w=1/2


                9楼2014-07-12 15:20
                回复
                  证明9:傅立叶分析证明
                  教科书上最普遍的证明
                  考虑函数将其傅立叶展开,计算得知

                  显而易见,代入f(0)得到答案


                  10楼2014-07-12 15:21
                  回复
                    证明10:傅立叶分析证明
                    考虑函数,将其傅立叶展开

                    利用Parseval等式

                    其中a[n]为e^(i*pi*n)系数,有
                    那么就知道


                    11楼2014-07-12 15:21
                    回复
                      证明11:傅立叶分析证明
                      考虑
                      在实轴上一致收敛,对于在,我们有

                      这个和被控制,从而在[ε,2π-ε]一致有界,Dirichlet判别知道
                      一致收敛
                      所以对于同样区域的函数

                      就得到


                      12楼2014-07-12 15:22
                      回复
                        证明12:泊松公式证明
                        (Richard Troll)由泊松求和公式其中
                        为傅立叶变换。
                        若我们设,f的傅立叶变换为
                        也就是说


                        就是


                        13楼2014-07-12 15:22
                        回复
                          证明13:概率论证明
                          (Luigi Pace 发表于2011 American Math Monthly)
                          设X[1],X[2]是独立同半区域柯西分布,也就是它们的分布函数都是

                          令随机变量Y=X[1]/X[2],,那么Y的概率密度函数p[Y],定义在y>0有

                          由于X[1],X[2]独立同分布,即P(Y>1)=P(X[1]>X[2])=1/2,即

                          也就是说


                          14楼2014-07-12 15:23
                          回复
                            证明14:积分+函数方程证明
                            (H Haruki,S Haruki在1983年 American Mathematical Monthly发表)
                            由于

                            只需要算出这个积分值即可,我们令

                            要求的是a=0的情况
                            不过我们可以证明
                            利用等式
                            我们知道

                            中间是令t=x^2代换掉的。解函数方程
                            (1)
                            ,求导两次知f''(a/2)+f''(pi-a/2)=f(a)/2
                            由于f''在闭区间[0,2pi]上面连续,所以必然有最大值M,最小值m,那么有设f''(a[0])=M,则

                            由于M是最大值,只能f''(a[0]/2)=M,f''(pi-a[0]/2)=M,一直迭代下去,我们有
                            lim[n->infty] f''(a[o]/2^n)=M,即f''(0)=M,同理有f''(0)=m,即M=m成立,那么f''为常值函数,f为二次函数。再计算二次函数系数
                            代入式子(1),以及计算f'(pi/2),我们知道
                            ,代入a=0,即


                            15楼2014-07-12 15:24
                            回复
                              证明15:三角恒等式的初等证明
                              (Josef Hofbauer发表于2002年American Mathematical Monthly)

                              从而就有

                              又由于对x在(0,pi/2)成立
                              ,对对不等式求和,就变为

                              令n趋于无穷得到答案


                              16楼2014-07-12 15:24
                              回复