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解法: サイン関数の無限乗積公式によるオイラーの証明(1734–1735)

ステップ 1/6: 求める級数の和とオイラーの着想
ざっくり言うと

11 に 14\frac{1}{4}、19\frac{1}{9}、116\frac{1}{16} …と永遠に足し続けるところを想像してほしい。項はどんどん小さくなるので合計はある一つの数に落ち着くが、その数が何であるかは百年近く誰にも言い当てられなかった。オイラーの工夫は、sin⁡x\sin x という三角関数を通じてまったく別の方向からその同じ数にこっそり近づき、同じ対象についての二通りの記述を見比べてその値を読み取ることだった。

ζ(2)=∑n=1∞1n2=1+14+19+116+⋯\zeta(2)=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}=1+\frac{1}{4}+\frac{1}{9}+\frac{1}{16}+\cdots
詳しい解説

バーゼル問題は、1644年にピエトロ・メンゴリが提起し、ベルヌーイ一族やライプニッツが挑んで敗れた、ζ(2)=∑n=1∞1n2\zeta(2)=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2} の閉じた形を求める問題である。収束することは全く問題でなかった——この級数は ∫1∞dx/x2\int_1^{\infty}dx/x^2 で上から抑えられ、オイラーの時代にはおよそ6桁の正しい小数値が知られていた——が、厳密な式はあらゆる試みを退けた。

オイラーの戦略は、典拠であるダナムの記述(第3章)で一歩ずつ再現されているように、同じ関数 sin⁡xx\frac{\sin x}{x} の二つの異なる代数的記述を得ることである。すなわちマクローリン級数(手順2)と、その零点から作られる無限乗積(手順3)である。二つの展開がそろったら、係数を項ごとに一致させることで、sin⁡x\sin x の零点に関する純粋に幾何的な情報が ζ(2)\zeta(2) に関する算術的な情報へ変換される。

sin⁡x\sin x を選んだことが創造的な一手である。これは零点が明示的で等間隔な、両側無限の族 0,±π,±2π,…0,\pm\pi,\pm2\pi,\dots をなす最も単純な整関数であり、その x2x^2 の係数が平方逆数の級数となるような積を作るのにちょうどよい種類のデータだからである。

このステップの用語
ζ(2)\zeta(2)
この特定の無限級数を表す標準的な略記であり、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 における値である。
閉じた形
π2/6\pi^2/6 のように、有限個のよく知られた定数と演算だけから作られる式のことで、評価されていない無限の過程とは対照的なものである。
このステップで使う知識