这些公式,不是为了计算圆周率而开发的。相反,是为了计算右边的那些和,而得到的结果。碰巧,结果里有π
那么,为什么要计算这些结果呢?因为欧拉的老师要计算。
很多的结果都有了,后来就有了黎曼的ζ函数。
黎曼ζ函数黎曼的ζ函数。这个函数的定义域本来是复数。那么,在实数领域的自然数领域,自然应该先计算一些结果。
(希腊字母ζ 读作/'zi:tə/ zeta 泽塔;)
(数学符号真的很混乱,必须吐槽。拉丁字母和希腊字母以及阿拉伯数字都不够用,再加上物理和化学中,混用的符合。还有数学家经常用的怪怪的花体。)
s=1 的时候,是大名鼎鼎的调和级数,虽然是发散的,但也是可以计算的,欧拉给出了结果,与对数和欧拉常数有关,不在这里讨论了。
s为偶数的时候,与π有关。
那么,这些结果是如何得到的呢?
从最简单的平方倒数和开始吧。我见过用傅立叶级数展开二次函数的,然后直接赋值,得证。那种方法应该叫做验证,不能叫做证明,也不是推导。因为欧拉生活的年代比傅立叶早几十年。用傅立叶的级数来证明欧拉的公式,做法就好像用两点间距离公式证明勾股定理一样。尽管数学领域里,定理之间条条大路能相通,但还是应该看看当初是如何走的。
从哪儿开始讨论呢?
大约应该从伯努利数开始。因为欧拉也有老师,欧拉的老师是约翰伯努利。但伯努利数,好像是雅各布伯努利发现的。总之,伯努利兄弟中的一位发现的,他们俩一起研究的。
这种数有什么特点呢?就是出现在自然数幂和中。
自然数幂的和只有这几个公式,伯努利兄弟是不满意的。他们要求出任意的幂和。也就是说,5次方,6次方,7次方......
任意幂和这个和怎么求呢?
伯努利数与自然数幂和其中,括号里的是选择数,Bn是伯努利数。
伯努利数递归计算对于大于或等于3奇数n,Bn=0
从下标0开始,最初的几个伯努利数是:
0 ; -1/2 ; 1/6; 0; -1/30; 0; 1/42; 0; -1/30; 0; 5/66; 0 ; -691/2730; 0 ; 7/6
这里不推导和计算。过程是比较繁复的。总之,伯努利兄弟解决了所有的自然数幂和。但遇到倒数和的时候,竟然束手无策。可惜的是,当欧拉计算出来的时候,他的老师已经去世了,欧拉只好对着上天告慰。
那么,欧拉究竟是如何计算的呢?
这要从正弦函数的展开说起。早在牛顿之前的时代,人们就已经知晓很多函数的展开。欧拉最喜欢的是e的展开。
exp那么,
exp(-x)两个算式相加,平均以后得到
cosh(x)这些函数的定义域都是复数域,用ix代入,则有:
cos(x)结果正好跟余弦函数的展开一致。也就是说cos(x)=cosh(ix)。
同样的道理,相减处理后可以得到 sinh(ix)=i sin(x)
以及正弦函数的展开:
然后,用一个特殊值代替x
特殊值平方根设有这样一个方程:
方程一这个方程,欧拉用肉眼观察的解是
方程的解你也能观察出来。
那么,根据韦达定理,已知一个一元多次方程的n个根,方程可以写成这样的形式
韦达定理先看一个三次方程的例子:
三次方程左边展开以后,x的系数是多少呢?显然是
系数也就是说,x的一次幂的系数是:所有的根的倒数和乘以所有根的乘积。而所有根的乘积就是方程的常数项。
如果是偶数个根,添加一个负号。
从上面展开式中,看到,方程的常数项正好是1。一次幂的系数是3的阶乘的相反数。那么,所有根的倒数和就是1/6。
根的倒数和因此,顺理成章,有:
倒数平方和同他的老师一样,欧拉不会仅仅满足于求到倒数的平方和,他还要求立方和,4次方和,5次方和...直到找到最普适的公式。
且听下回分解。