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解法:欧拉利用正弦函数乘积公式给出的证明(1734–1735)

第 1/6 步:所求的和与欧拉的想法
通俗地说

设想把 11 加上 14\frac{1}{4}、19\frac{1}{9}、116\frac{1}{16}……一直加下去:各项迅速变小,总和会稳定在一个确定的数上,但将近一个世纪都没人能说出这个数是多少。欧拉的诀窍是从完全不同的方向——通过三角函数 sin⁡x\sin x——悄悄逼近这同一个数,并通过比较同一个对象的两种不同描述来读出它的值。

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
详细分析

巴塞尔问题要求给出 ζ(2)=∑n=1∞1n2\zeta(2)=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2} 的封闭形式,该问题由 Pietro Mengoli 于1644年提出,伯努利家族和莱布尼茨都曾尝试而未成功。收敛性从来不是疑问——级数被 ∫1∞dx/x2\int_1^{\infty}dx/x^2 控制,到欧拉的时代人们已知道约六位正确小数——但精确表达式抵制了所有方法。

欧拉的策略,在作为典据的 Dunham 的叙述(第3章)中逐步重现:对同一个函数 sin⁡xx\frac{\sin x}{x} 得到两种不同的代数描述——它的麦克劳林级数(第2步)和由其零点构造的无穷乘积(第3步)。两个展开式齐备之后,逐项比较系数就把关于 sin⁡x\sin x 零点的纯粹几何信息转化为关于 ζ(2)\zeta(2) 的算术信息。

选择 sin⁡x\sin x 是创造性的一笔:它是零点构成一个显式、等距、双向无穷族 0,±π,±2π,…0,\pm\pi,\pm2\pi,\dots 的最简单整函数,恰好是构造一个 x2x^2 系数为平方倒数级数的乘积所需要的那种数据。

本步骤中的术语
ζ(2)\zeta(2)
这个特定无穷级数的标准简写:黎曼 zeta 函数 ζ(s)=∑n=1∞1/ns\zeta(s)=\sum_{n=1}^\infty 1/n^s 在 22 处的取值。
封闭形式
由有限个熟悉的常数和运算构成的表达式,例如 π2/6\pi^2/6,与尚未求出结果的无穷过程相对。
本步骤用到的知识