O serie de pătrate inverse este o serie infinită :
Problema găsirii sumei acestei serii a rămas mult timp nerezolvată. Deoarece atenția matematicienilor europeni asupra acestei probleme a fost atrasă de profesorul de matematică de la Basel Jacob Bernoulli (1689), în istorie este adesea numită „ problema de la Basel ” (sau „ problema de la Basel ”). Primul care a găsit suma seriei în 1735 a fost Leonhard Euler , în vârstă de 28 de ani , s-a dovedit a fi egală cu
(A se vedea secvența OEIS A013661 ).Această sumă apare în multe alte probleme din teoria numerelor .
Rezolvarea acestei probleme (și a celor înrudite) nu numai că i-a adus tânărului Euler faima mondială [1] , dar a avut și un impact semnificativ asupra dezvoltării ulterioare a analizei , a teoriei numerelor și, ulterior , a analizei complexe . Din nou (după descoperirea seriei Leibniz ) , numărul a depășit geometria și și-a confirmat universalitatea. În cele din urmă, seria pătratului invers s-a dovedit a fi primul pas către introducerea funcției zeta Riemann [2] . Euler însuși a început această cale, luând în considerare o generalizare a seriei pătrate inverse - o serie pentru o putere pare arbitrară s și, de asemenea, derivând identitatea fundamentală a lui Euler :
Produsul din partea dreaptă este preluat peste toate numerele prime .
Istoricii au descoperit pentru prima dată raționamentul cu privire la o serie de pătrate inverse în disertația matematicianului italian Pietro Mengoli ( Novae quadraturae arithmeticae seu de additione fractionum , 1644, publicată în 1650), dar apoi problema nu a trezit interes general. Mengoli a determinat că seria converge și a găsit suma primilor 10 termeni [3] :
Mai târziu, mulți matematicieni eminenți au încercat fără succes să găsească suma seriei, inclusiv Leibniz , Stirling , de Moivre , Christian Goldbach , frații Jacob și Johann Bernoulli . De asemenea, au calculat câteva cifre semnificative ale sumei seriei. Goldbach a arătat că suma este cuprinsă în intervalul (41/25; 5/3), Stirling în tratatul Methodus Differentialis (1730) a reușit să calculeze o valoare destul de exactă a sumei: 1,644934066, dar nimeni nu a putut determina exact ce anume valoarea a fost poate fi legată [3] [4] [5] .
Jacob Bernoulli a îndemnat în Arithmetic Propositions on Infinite Series (1689): „Dacă cineva reușește să găsească ceva care până acum nu a cedat eforturilor noastre și dacă ne-o comunică, atunci îi vom fi foarte datori” [ 2 . ] [6] . Dar în timpul vieții lui Jacob Bernoulli, soluția nu a apărut.
Euler a fost primul care a reușit , la aproape jumătate de secol după convertirea lui Bernoulli. Cel mai probabil, Johann Bernoulli, fratele lui Jacob, i-a spus lui Euler despre această problemă. Euler a relatat descoperirea în nota „On sums of inverse series” ( De summis serierum reciprocarum , 1735) [7] pentru revista „Commentarii Academiae Scientiarum Imperialis Petropolitanae” a Academiei de Științe din Sankt Petersburg . Valoarea sumei găsite de el a raportat și Euler într-o scrisoare către prietenul său Daniel Bernoulli , fiul lui Johann Bernoulli [8] :
Recent, am găsit, și destul de neașteptat, o expresie elegantă pentru suma unei serii legate de pătratul unui cerc... Și anume, suma de șase ori a acestei serii este egală cu pătratul perimetrului unui cerc al cărui diametru este 1.
Daniel i-a spus tatălui său, care și-a exprimat îndoielile cu privire la validitatea expansiunii lui Euler a sinusului într-un produs infinit (vezi mai jos ). Prin urmare, în 1748, Euler a justificat rezultatul mai riguros în monografia sa Introduction to the analysis of infinitezimals ( Introductio in analysin infinitorum , Volumul I, Capitolul X) [9] .
După cum notează John Derbyshire , a doua apariție (după seria Leibniz ) a unui număr într-un context neașteptat, complet non-geometric, a făcut o impresie puternică asupra matematicienilor din secolul al XVIII-lea [10] .
Ca control, Euler a calculat manual suma seriei de 20 de cifre (aparent folosind formula Euler-Maclaurin , deoarece seria pătratului invers converge destul de lent). Apoi a comparat suma cu valoarea folosind valoarea aproximativă a numărului deja cunoscut la acel moment și s-a asigurat că ambele valori, în conformitate cu acuratețea contului, coincid. Ulterior (1743) Euler a publicat încă două moduri diferite de însumare a unei serii de pătrate inverse [11] .
Pentru a verifica dacă seria pătratului invers converge, este suficient să dovedim că următoarea serie converge [12] :
Această serie majorează seria pătratului invers, deoarece fiecare termen din ea (cu excepția primului) este mai mare decât în seria pătratului invers. Poate fi reprezentat ca o sumă telescopică :
Suma parțială a acestei serii este deci seria converge, iar suma ei este egală cu 2. Prin urmare, prin criteriul de comparație , și seria de pătrate inverse converge către un număr în intervalul (1, 2) [12] .
Pentru a estima rata de convergență a sumelor parțiale, se poate folosi formula
Suma din mijlocul formulei este diferența dintre serie și a ei sumă parțială, adică eroarea absolută a sumei parțiale. Din formula se poate observa că convergența seriei este destul de lentă - primii mii de termeni ai seriei ( ) dau o eroare de ordine , adică în a treia zecimală. Pentru a obține 6 semne corecte, trebuie să adăugați un milion de membri ai seriei [13] .
În 1988, Roy D. North of Colorado Springs a calculat suma unui milion de termeni ai unei serii de pătrate inverse pe un computer și a descoperit un model ciudat - a șasea zecimală, așa cum era de așteptat, este eronată, dar următoarele 6 cifre sunt corecte. Apoi un caracter este greșit, iar după el cinci cifre sunt din nou corecte:
Suma totală a rândurilor ( ) | 1,64493 4 066848 2 26436 472415166646025189218949901... |
Sumă parțială de un milion de membri | 1,64493 3 066848 7 26436 305748499979391855885616544... |
Eroare | 0,0000009999995000001666666666666333333333333357... |
Această eroare poate fi reprezentată ca sumă
în care coeficienții la puteri de 10 sunt numerele Bernoulli [13] . Dovada acestui fapt poate fi găsită în lucrarea din 1989 a lui Borwein, Borwein și Dilcher [14] .
Până la sfârșitul secolului al XVII-lea, datorită lucrării lui Newton și a altor matematicieni, extinderea în serie a funcției sinus a fost cunoscută :
Euler a reușit să obțină o altă expansiune a sinusului - nu într-o sumă, ci într-un produs infinit [15] :
Echivalând ambele expresii și reducând cu puteți obține:
(unu) |
Deoarece această identitate este valabilă pentru toți , coeficienții pentru ambele părți trebuie să fie egali:
Înmulțind ambele părți ale egalității cu putem obține în sfârșit [16] :
Metoda afirmată se bazează pe extinderea sinusului într-un produs infinit, totuși, Euler nu a dat acestei expansiuni o justificare adecvată, limitându-se la a se referi la faptul că atât părțile din stânga, cât și cele din dreapta, considerate ca polinoame , au aceleași rădăcini: Johann și Daniil Bernoulli au subliniat incorectitudinea unei astfel de derivații, deoarece se aplică numai polinoamelor de grad finit și nu serii infinite. În acest sens, Euler a publicat mai multe metode de însumare, justificate mai strict și conducând la același rezultat [11] . Cu toate acestea, expansiunea specificată s-a dovedit a fi adevărată și a fost ulterior dovedită [17] .
În 1741, Euler a ținut cont de critica de mai sus la adresa metodei sale originale și a publicat o altă metodă de însumare bazată pe integrarea în serie [18] . Pentru aceasta, considerăm o integrală a formei
Pentru a calcula integrala, puteți utiliza expansiunea arcsinusului într-o serie pe intervalul :
Această serie converge uniform și poate fi integrată termen cu termen:
Prima integrală este , iar a doua după înlocuire se dovedește a fi egală de aici:
Această sumă conține pătratele inverse ale numerelor impare. Suma necesară a seriei de pătrate inverse este formată din două părți, prima este egală , iar a doua conține pătratele inverse ale numerelor pare:
Acolo este
Una dintre cele mai simple metode de obținere a acestei sume este utilizarea expansiunii în serie Fourier a funcției . Pentru o funcție pară, această expansiune are forma [19]
Coeficienții se calculează după formule standard:
Ca urmare, descompunerea ia forma [19]
Înlocuirea unei valori în această formulă dă rezultatul
sauRezultatul final se obține [19] împărțind ambele părți la 4.
Dacă, în loc să înlocuiți , obțineți o sumă alternativă:
O altă modalitate de a rezolva problema prin analiza Fourier este utilizarea egalității lui Parseval pentru funcție
Această metodă vă permite să găsiți sumele pentru toate seriile de puteri inverse pare:
Se bazează pe două formule de expansiune pentru cotangente hiperbolice . Primul [20] este valabil pentru :
A doua formulă [21] raportează cotangenta hiperbolică la numerele Bernoulli :
Echivalarea coeficienților la aceleași puteri oferă o formulă pentru conectarea sumelor seriei cu numerele Bernoulli:
În special, rezultatul inițial este obținut atunci când se ia în considerare
În articolul lui K. P. Kokhas [16] , sunt date mai multe moduri diferite de însumare a unei serii: prin integrale , reziduuri complexe , funcție gamma , expansiunea arcsinusului sau cotangentei , la pătrat seria Leibniz . O altă colecție de metode de însumare este prezentată în lucrarea lui Chapman [22] .
O reprezentare fizico-geometrică interesantă a însumării unei serii de pătrate inverse este prezentată într-un articol de Johan Westlund [23] și într-o prelegere video pe canalul YouTube 3Blue1Brown [24] .
Pe baza formulei ( 1 ), Euler a calculat sumele nu numai pentru o serie de pătrate inverse, ci și pentru serii de alte puteri pare, până la a 26-a, de exemplu [2] :
etc. Euler a mai aflat că sumele unor astfel de serii sunt legate de numerele Bernoulli după cum urmează [9] :
Euler a rezumat de asemenea o modificare a unei serii de pătrate inverse care conţin (în numitori) pătrate sau alte puteri pare ale numerelor impare [25] ; sumele seriei s-au dovedit a fi legate tot de număr
Pentru serii de puteri impare, expresia teoretică a sumelor lor nu este încă cunoscută. S-a dovedit doar că suma unei serii de cuburi inverse ( constanta lui Aperi ) este un număr irațional [2] .
Dacă considerăm exponentul din seria generală a puterilor inverse ca o variabilă (nu neapărat întreg), atunci obținem funcția zeta Riemann , care joacă un rol uriaș în analiză și teoria numerelor:
Deci suma seriei inverse pătrate este
Primele studii ale proprietăților funcției zeta au fost efectuate de Euler. În 1748 a publicat monografia „Introducere în analiza infinitezimale”, unde a dovedit „ identitatea lui Euler ” [26] :
unde produsul este preluat asupra tuturor numerelor prime Această egalitate a jucat un rol important în dezvoltarea teoriei analitice a numerelor , s-a bazat pe studiile lui Cebyshev și Riemann privind distribuția numerelor prime în seria naturală. În 1859 a apărut lucrarea profundă a lui Riemann care a extins definiția funcției zeta la domeniul complex . Riemann a considerat în detaliu legătura funcției zeta cu distribuția numerelor prime [26] .
În 1768, Euler a propus o altă generalizare a seriei pătrate inverse, dilogaritmul lui Euler [27] :
Suma unei serii de pătrate inverse, apare și în multe probleme din teoria numerelor.
Suma divizorilor unui număr natural crește în medie [28] ca funcție liniară .
Probabilitatea ca două numere naturale alese aleatoriu în intervalul de la 1 până la a se dovedi a fi coprime tinde să Cu alte cuvinte, densitatea medie a numerelor coprime din seria de numere [29] este egală cu
Fie numărul de numere naturale fără pătrat în intervalul de la 1 la . Îndeplinește formula aproximativă [30] [31] [32]
Funcția Euler cumulativă
unde este funcția Euler , are următoarele asimptotice [33] :
Secvențe și rânduri | |
---|---|
Secvențe | |
Rânduri, de bază | |
Seria de numere ( operații cu seria de numere ) | |
rânduri funcționale | |
Alte tipuri de rânduri |