Math Labs

Lời giải: Chứng minh bằng tích phân bội của Beukers–Calabi–Kolk (1993)

Bước 1 trên 6: Tách thành bình phương lẻ và chẵn
Hiểu nôm na

Hãy xếp các số hạng của ζ(2)\zeta(2) vào hai chồng theo chỉ số lẻ hay chẵn, giống như xếp tất theo màu. Chồng chẵn hóa ra là một bản sao đúng bằng một phần tư của cả tổng, nên trừ nó đi rồi giải ra ζ(2)\zeta(2) chỉ còn lại chồng lẻ — tổng theo 1,3,5,…1,3,5,\dots — cần tìm hiểu.

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}
Phân tích chi tiết

Viết ζ(2)=∑n odd1n2+∑n even1n2\zeta(2)=\sum_{n\ \mathrm{odd}}\frac{1}{n^2}+\sum_{n\ \mathrm{even}}\frac{1}{n^2}. Đặt n=2mn=2m trong phần chẵn cho ∑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): phần đuôi ứng với chỉ số chẵn là một bản sao co tỉ lệ của chính chuỗi cần tính. Chuyển vế cho 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}, suy ra ζ(2)=43∑k=0∞1(2k+1)2\zeta(2)=\frac{4}{3}\sum_{k=0}^{\infty}\frac{1}{(2k+1)^2}.

Phép tách chẵn–lẻ này, được dùng trong bài báo Beukers–Calabi–Kolk và các công trình trước đó, là thứ làm cho phần còn lại của chứng minh khả thi: mẫu số 1−x2y21-x^2y^2 xuất hiện ở Bước 2 khai triển thành chuỗi hình học theo (xy)2(xy)^2, mà các lũy thừa của nó đúng là các đơn thức chẵn x2ky2kx^{2k}y^{2k} cần thiết để sinh ra các mẫu lẻ (2k+1)2(2k+1)^2 sau khi lấy tích phân. Với mọi bình phương ta sẽ cần mẫu 1−xy1-xy, dẫn tới một tích phân kỳ dị khó hơn hẳn.

Phép tách này là một đồng nhất đại số, không phải xấp xỉ, và có thể đảo ngược — biết tổng theo bình phương lẻ tương đương với biết chính ζ(2)\zeta(2).

Thuật ngữ trong bước này
ζ(2)\zeta(2)
Cách viết tắt chuẩn cho giá trị tại 22 của hàm zeta Riemann, ζ(s)=∑n=1∞1/ns\zeta(s)=\sum_{n=1}^\infty 1/n^s — ở đây chính là tổng vô hạn ∑1/n2\sum 1/n^2 trong bài toán Basel.
Kiến thức dùng ở bước này