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解法: Beukers–Calabi–Kolk による二重積分を用いた証明(1993年)

ステップ 1/6: 奇数と偶数の平方に分ける
ざっくり言うと

ζ(2)\zeta(2) の各項を、添字が奇数か偶数かで二つの山に分けてみよう。靴下を色で仕分けるようなものである。偶数の山は全体の和のちょうど四分の一のコピーになることがわかるので、それを引いて ζ(2)\zeta(2) について解けば、残るのは調べるべき奇数の山——1,3,5,…1,3,5,\dots にわたる和——だけになる。

ζ(2)=∑n=1∞1n2=∑k=0∞1(2k+1)2+14∑m=1∞1m2 ⟹ ζ(2)=43∑k=0∞1(2k+1)2\zeta(2)=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{1}{(2k+1)^2}+\frac14\sum_{m=1}^{\infty}\frac{1}{m^2}\ \Longrightarrow\ \zeta(2)=\frac43\sum_{k=0}^{\infty}\frac{1}{(2k+1)^2}
詳しい解説

ζ(2)=∑n odd1n2+∑n even1n2\zeta(2)=\sum_{n\ \mathrm{odd}}\frac{1}{n^2}+\sum_{n\ \mathrm{even}}\frac{1}{n^2} と書く。偶数部分で n=2mn=2m とおくと ∑m=1∞1(2m)2=14∑m=1∞1m2=14ζ(2)\sum_{m=1}^{\infty}\frac{1}{(2m)^2}=\frac{1}{4}\sum_{m=1}^{\infty}\frac{1}{m^2}=\frac{1}{4}\zeta(2)、つまり偶数添字の部分は評価したい級数そのものをスケールしたものである。移項して ζ(2)−14ζ(2)=34ζ(2)=∑k=0∞1(2k+1)2\zeta(2)-\frac{1}{4}\zeta(2)=\frac{3}{4}\zeta(2)=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{1}{(2k+1)^2}、したがって ζ(2)=43∑k=0∞1(2k+1)2\zeta(2)=\frac{4}{3}\sum_{k=0}^{\infty}\frac{1}{(2k+1)^2} を得る。

この偶奇の分割は、Beukers–Calabi–Kolk の論文とその先行研究で用いられているもので、証明の残りを可能にする仕掛けである。手順2に現れる分母 1−x2y21-x^2y^2 は (xy)2(xy)^2 の等比級数に展開され、そのべきはちょうど偶数単項式 x2ky2kx^{2k}y^{2k} であり、積分後に奇数の分母 (2k+1)2(2k+1)^2 を生み出す。すべての平方をそのまま扱うなら分母は 1−xy1-xy となり、はるかに扱いにくい特異積分に行き当たる。

この分割は近似ではなく代数的な恒等式で、しかも可逆である——奇数平方和を知ることは ζ(2)\zeta(2) を知ることと同値である。

このステップの用語
ζ(2)\zeta(2)
リーマンのゼータ関数 ζ(s)=∑n=1∞1/ns\zeta(s)=\sum_{n=1}^\infty 1/n^s の 22 における値を表す標準的な略記であり、ここではバーゼル問題の無限和 ∑1/n2\sum 1/n^2 のことである。
このステップで使う知識