巴塞尔问题

在所有学科当中,很少有像数学这样,抽象度如此高,通用性如此广泛地学科。

牛顿写过《自然哲学的数学原理》,赫尔曼·外尔写过《数学与自然科学之哲学》,似乎数学轻易地就能跟哲学扯上联系。


下面讨论一个数学问题,由 Pietro Mengoli 于1644年首次提出,问题是:

1 n 2 = 1 + 1 2 2 + 1 3 2 + 1 4 2 + = ?

Leonhard Euler 于1734年首次给出解答,答案为:
1 n 2 = 1 + 1 2 2 + 1 3 3 + 1 4 2 + = π 2 6

为纪念欧拉的努力,遂以欧拉家乡巴塞尔命名,即 巴塞尔问题


这里粗略讨论一种跟欧拉不同的解法。更容易理解 : )

step 1:假设有一个周长为2的圆,两端点间的距离 d = 2 π ,也即圆的直径。

step 2:根据毕达哥拉斯定理,d满足:

1 d 2 = 1 d 1 2 + 1 d 2 2 = π 2 4

step 3:然后继续画圆,因为:

1 d 1 2 = 1 d 3 2 + 1 d 4 2

1 d 2 2 = 1 d 5 2 + 1 d 6 2

所以有:
1 d 2 = 1 d 3 2 + 1 d 4 2 + 1 d 5 2 + 1 d 6 2 = π 2 4

step 4: 当以上过程重复无限多次,圆无限大时,就有:

+ 1 5 2 + 1 3 2 + ( 1 ) 2 + 1 2 + 1 3 2 + 1 5 2 + = π 2 4

可得,
1 2 + 1 3 2 + 1 5 2 + = π 2 8

因为偶数项占 1 4 ,所以奇数项占 3 4 ,即:
3 4 1 n 2 = π 2 8

1 n 2 = π 2 8 4 3 = π 2 6

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