解法: Beukers–Calabi–Kolk による二重積分を用いた証明(1993年)
ざっくり言うとζ(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) について解けば、残るのは調べるべき奇数の山——1,3,5,… にわたる和——だけになる。
詳しい解説ζ(2)=∑n oddn21+∑n evenn21 と書く。偶数部分で n=2m とおくと ∑m=1∞(2m)21=41∑m=1∞m21=41ζ(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)−41ζ(2)=43ζ(2)=∑k=0∞(2k+1)21、したがって ζ(2)=34∑k=0∞(2k+1)21 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−x2y2 は (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 x2ky2k であり、積分後に奇数の分母 (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−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) を知ることと同値である。
このステップの用語- ζ(2)
- リーマンのゼータ関数 ζ(s)=∑n=1∞1/ns の 2 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 のことである。
このステップで使う知識