“学长,那个……巴塞尔问题是什么问题?”泰朵拉边捡自动铅笔边问我。
这样的话,就可以形成以下无限项积的形式了。”米尔嘉说。
米尔嘉正看着泰朵拉。
“嗯……确实是成立的呢。当x等于 0 的时候,全都变成了 0,x是nπ的时候也都变成了 0,这是因为在某个地方有这个因式。所以当的时候,sinx是等于 0 的。”泰朵拉说。
“是啊。”虽然我这么回答,但是也有点焦急起来。这不是很理所当然的吗?而且……
米尔嘉回答了我的疑问,她说:“虽然nπ 是方程的解,但是这个因式分解的式子过于冗长,还有一定的自由度。因为如果只有x=nπ s这个先决条件的话,像这样整体扩大C倍都是可以的,所以没有遵循唯一分解定理。”
不会吧。
我屏住了呼吸。
泰朵拉听了我的解释,露出很惊讶的表情。也确实是如此,听了一大堆自己没有考虑过的问题,不一头雾水才怪呢。
米尔嘉转过身对我说:“现在,泰朵拉用‘积的形式’表示了,这是因为因式分解是将式子用乘积的形式来表示。另外,你写的泰勒展开是把相同的用和的形式来表示。那么……”
“你……”米尔嘉对我说,她的目光没有离开笔记本,“你教过泰朵拉 sinx的泰勒展开吗?嗯,原来如此,这也是村木老师的行动计划啊!对了,这里为什么写着‘一生都不会忘记’呢?”
“呀!”
“什么,什么呀?”泰朵拉眨着大眼睛说。
“在这里,假设,两边同时除以x,得到下面的式子。先说明这是把 sinx用‘和’来表示。”
于是——
像这样,当n=1, 2, 3, ... 的时候,sinnπ都会变为 0。”
“你说将 sinx进行因式分解?这究竟是什么意思呀?”我问道。
“左边的x2 的系数是什么呀?泰朵拉你明白了吗?”米尔嘉说。
“嗯,我明白了,x2 的系数是a+b+c+d+ ... 吧。”泰朵拉说。
“那实际展开看看吧,泰朵拉。现在我们把下面的式子展开看看。”米尔嘉说。
“这个证明我证到一半的时候就不知道怎么办了,最后真是让我大吃一惊。”泰朵拉说,“不知不觉中巴塞尔问题就被解开了,我真的大吃一惊。因为x=nπ 是 sinx= 0 的解,所以我还以为可以把 sinx因式分解呢。当时还以为自己找到了什么伟大的发现呢。但是,我这种想法也就到那里为止了。米尔嘉给我看了其他因式分解的方式,在我捉摸不定的时候,通过比较x2 的系数就把巴塞尔问题解答出来了。真是太厉害了!”泰朵拉说。
说到这儿,米尔嘉把右手搭在坐在位子上的泰朵拉的头上。
“米尔嘉,不是不是,泰朵拉考虑的不是巴塞尔问题,她考虑的是将 sinx进行因式分解。”我说。
米尔嘉说到这里,停顿了一下,吸了一口气又继续说道:“这里,我们把泰朵拉写的‘积的形式’和你写的‘和的形式’画上等号看看。”
她对着笔记本,又继续向泰朵拉解释道:“整理式子后,可以得到这个。”
泰朵拉的思绪还在混乱之中。
状如的任何一个级数,
“嗯。”米尔嘉突然闭上眼睛,像指挥家一样挥动起自己的手指。她做这个动作的时候,周围人都沉默不语。大家就这样默默地看着她。米尔嘉思考的样子有股吸引我们的力量。
“但是,泰朵拉想到了如下的方程式。”
“不知道怎么的,我一个人有点操之过急了。不好意思哦,学长这么忙,还来打扰您……”
“是啊,如果是n次多项式的话,结合n次方的系数,可以调整常数倍的值。一般最高次的系数是确定的,然后就可以根据最高次的系数来调整这个式子的规模了。但是,如果是无限次多项式的话,就不能按照最高次的系数来量身定做了。因为我们不知道的系数究竟是多少。这样一来,建立起(x-nπ)后就不再调整系数了,求出因式的乘积才是解决问题的关键。在开始进行无限项计算之前,我们先调整式子的规模,这种方法比较有效。”
sinx= 0
“真是……不知不觉中就……就解出来了!真神奇啊!”
“这次,虽然最后进行整理的人是我,但是我本身就是知道欧拉老师的解法的。”
米尔嘉突然用一种很独特的上扬语调问道,泰朵拉点了点头。她怀里还抱着刚才从米尔嘉那里抢来的笔记本。那本写有“一生都不会忘记”的笔记本。
我们沉默了片刻,大家都在思考为什么无理数的圆周率会突然出现,我们都觉得有点不可思议。
“啊!啊!”
米尔嘉又把式子重新写了一遍。
当n为偶数时,
“当x趋向于 0 的时候,虽然这个式子左边的极限值为 1,但是右边式子的极限值并不为 1。很明显,有点奇怪哦。”我说。
比较系数!
“但是,有 π 之类的数字在,乱七八糟的,所以先定义
“咦?这是怎么回事啊?咦?”
可能是我的语气有些严肃,泰朵拉的热情一落千丈。她这个人不光是在高兴的时候才表露出来,在自己意志消沉的时候也是如此。我有点不好意思,继续说道:“关于昨天我们所说的那个话题,你想到些什么了吗?”
“使用这个解对 sinx进行‘因式分解’,泰朵拉是这样想的,对吧?”
我看了看式子。
“解出来了,解出来了。巴塞尔问题解出来啦!”泰朵拉看了看米尔嘉,又看了看我,兴奋地说道。
“嗯,那个……那个……我找到了很多满足方程 sinx= 0 的x。也就是说,这样的x是
米尔嘉边说边站起身。
我在泰朵拉的笔记本上这样写道。
于是,米尔嘉在我们俩面前摊开双手,轻声说道:“比较x2 的系数。”
我和泰朵拉面面相觑,思考起了米尔嘉所写的因式分解的式子。泰朵拉迅速打开怀里抱着的笔记本,开始计算。
它的和都等于 πn与一个有理数的积。
“是啊。这个无限项积的各因式里x2 的系数 (a,b,c,d, ... ) 的无限项和 (a+b+c+d+ ... ) 就是展开后的x2 的系数。那么,我们再回到刚才‘因式分解’的式子。”米尔嘉说。
泰朵拉确认了一遍米尔嘉所写的等式,说:“把x2 的系数提取出来……嗯,是这样的。”
泰朵拉不等我说话,又继续说道:“今天米尔嘉不是说了嘛 ——求方程式的解与因式分解有关。”
我给泰朵拉看了看卡片,向她解释什么是巴塞尔问题。这是求正整数的 2 次方的倒数之和的问题,就我的卡片来说就是求的值,就米尔嘉的卡片来说就是求ζ(2) 的值。当然,说到求值就是在“收敛”的前提下才能求的。
这里是图书室。我们是高中生。这里要求保持安静。
“对了,泰朵拉,你可忘了n小于 0 的情况哦。如果你想好好进行一般化的话,应该是这样的。”我说。
“泰朵拉。”传来了米尔嘉温柔而又有力的声音。
我——
“等式两边同时乘以 π2……”
“啊,这个……”泰朵拉想把笔记本拿回来,但是她看了看米尔嘉的眼神,又把手缩了回去。
她继续说:“在向我们的欧拉老师表示敬意的同时,也请为泰朵拉鼓掌。”米尔嘉率先拍起手来。我也站起身,拍起手来。
瞬间开始计算。
“也就是说,当x趋向于 0 的时候,应该趋向于 1。当x和 0 非常接近的时候,也和 1 非常接近。但是,泰朵拉你的式子中,如果假设x不等于 0,那么两边同时除以x后可以得到这样的式子。”
是归是,但是说到将 sinx进行“因式分解”,我还是不太理解泰朵拉的意思。
米尔嘉点点头,像在吟诗一样说道:“解出来了,巴塞尔问题解出来了,令 18 世纪数学家们烦恼的难题——巴塞尔问题解出来了。真是令人愉悦啊!”
“这下我们也能把这个问题解出来了吧?”泰朵拉问。
我们向活力少女泰朵拉鼓掌!
解答 9-2 (巴塞尔问题)
米尔嘉笑了笑,露出一副“不用着急,没关系”的表情。
sinx的泰勒展开
“变得更简洁一点是吗?和与差的积是平方差吧。因为……”泰朵拉看了我一眼,这样写道。
米尔嘉用手指推了推眼镜继续说道:“但是,说起严密的理论,刚才的论述方式还不够严密。为什么这么说呢?因为在求 sinx= 0 这个方程式时,我们是根据图像与x轴的交点得到方程的解为x=nπ,但是虚数解不会出现在与x轴的交点上,所以我们还没有讨论虚数解的可能性。实际上,除此方法之外,欧拉老师还留下了几种证明方法。但是利用 sinx的幂级数展开来进行这个证明真是魅力无穷啊。正如与x2 的系数相对比可以求出ζ(2) 一样,与x正偶数 的系数对比也能求出ζ(正偶数)。”
“还有,为什么泰朵拉说的因式分解不可取呢?”我问道,“不正是方程的解吗?为什么不可以呢?”
泰朵拉的脸“唰”的一下涨得通红,边退后边说:“什……什么?”
“学长,我有一个大发现,大发现!”泰朵拉兴奋地叫道。
“好了,这下我们的工作可以先告一段落了。”她竖起食指,歪了歪头,笑了起来。这真是最美好的笑容。
太厉害了!这太厉害了。
“那接下来就把 0 的情况也考虑一下。其实把 sinx的图像画出来,然后考虑一下与x轴的交点就一箭双雕了。”我说。
写到这里,米尔嘉突然把脸凑向正聚精会神地盯着式子看的泰朵拉,说:“你快发现了吧,泰朵拉。”
泰朵拉大声叫道。这可是图书室啊,但是我很理解她要叫起来的那种心情。
啊?
“噢,原来如此啊,米尔嘉。这个先决条件不能光靠因式分解来表示啊。”我恍然大悟。
还是在图书室,还是在放学后。在我正准备开始进行今天的计算的时候,活力少女泰朵拉匆匆忙忙地走了进来。
“你还没有发现吗?泰朵拉。”米尔嘉说。
她这么说着,拿过我手中的自动铅笔和笔记本,开始写起了数学公式。
我们是跨越了两个半世纪以上的时光,来回味欧拉的解法啊。当时的欧拉和我们只相差十来岁……结婚后第二年?
泰朵拉接下来说的一句话,真的令我大吃一惊。
“嗯,那个,昨天我们不是将 sinx进行了泰勒展开吗?我在自己思考的时候,突然发现了一点。随着x的值的变化,sinx会好几次都变成 0 呢。比如说……”泰朵拉一边说一边拿出自己的笔记本,朝我摊开。
——她还愣在那里,还没有发现。
“米尔嘉……学长……这……这怎么可以。”泰朵拉用两手摸了摸涨得通红的脸蛋,眨巴着双眼。
“如果是这样的话……”米尔嘉的脸上又浮现出一种调皮的样子。
sinx= 0
在我说的时候,米尔嘉把泰朵拉掉到桌子底下的笔记本捡了起来,一页页翻开看。
比较系数?
“是啊。欧拉老师对于巴塞尔问题的解法到现在还留有几种。这是其中的一种。我们把它作为一个谜来解答。”米尔嘉说。
“解出这个问题的人是莱昂哈德·欧拉,他是世界上第一个解出巴塞尔问题的人。那是在 1735 年,欧拉老师还只有 28 岁,在他结婚后的第二年……”米尔嘉说。
“嗯,想到了一些,但是也不是什么重要的东西啦。”泰朵拉一边看着我的脸色一边小心翼翼地说。
“将这个式子按从左至右的顺序展开。”
“我们把这个方程式的解表示成下面这样。”米尔嘉继续说道。
“哇!”
“其实这就是早上我所说的解与系数之间的关系噢。x2 的系数的规律性你明白了吧。”米尔嘉说。
“咦?怎么看上去有规律啊。”看着米尔嘉的展开,泰朵拉说。
我还是一下子没反应过来。嗯?这样就好了?——确实,把x=nπ 代入后式子变为了 0。
“我试着将 sinx进行了因式分解。”
“泰朵拉,现在把他写的式子的右侧变形得更简洁一点看看。”米尔嘉说。
“虽说没有很顺利地解出,但是泰朵拉能想到利用方程式的解对 sinx进行因式分解,这是非常了不起的。虽然还有不够严密的部分,但是在不够严密的地方也可以向无限发起挑战。”
她继续说:“如果是这样的话,将 sinx因式分解为这种形式怎么样呢?”
这个方程式的解啊。”
泰朵拉吓得把笔记本和铅笔盒都弄掉在了地上,自动铅笔、橡皮、尺子噼里啪啦地洒了一地。
“当然,这样写也可以。”她又加了一笔。
假设,两边同时除以x
—— 欧拉 [25]
我默不作声,泰朵拉朝着我继续说道:“正如刚才学长所说的那样,如果解是的话,那么就可以进行这样的因式分解了。”
“啊啦啦,是……是啊。确实还有负数的情况。”泰朵拉说。
从我们身后突然传来一个声音,把我们都吓了一跳。不知何时米尔嘉已经站到了我们身后,我居然一点都没有发现。
巴塞尔问题的解法
“而且,还有一点,”泰朵拉又接着说道,“当和变为的时候, 我也吃了一惊。为什么整数的 2 次方的倒数之和中会出现 π 呢?”
“但是,我进展得不顺利。当x趋向于 0 的时候,的极限应该趋向于 1,但是我所做的因式分解却变不成这个形式……”泰朵拉说道。
“这个,这个是无限个的积吧。”泰朵拉说。
米尔嘉睁开眼,说:“从 sinx的泰勒展开开始。”
我看向米尔嘉。
“什么呀?泰朵拉。”我问道。
但是,管它呢,介意什么呀!
米尔嘉又平静地继续说道:“要求等式左边展开时‘x2 的系数’的话,只要求出左边各因式的‘x2 的系数和’就可以了。a+b+c+d+ ... 也就是。另外,等式右边 的‘x2 的系数’一下子就能得知。既然都已经考虑到这一步了,我们就来比较一下两边的x2 的系数。以下等式是成立的。”
最近连续几天都和泰朵拉在一起讨论,我渐渐没有了自己的计算时间。当然,我也不是不想这样。
“嗯。”米尔嘉说。
“不……不好意思!”泰朵拉突然抢回自己的笔记本。
“不对,泰朵拉,这还是有点奇怪啊。而且,sinx有一个有名的极限公式。”我说。
我听了她的话开口说道:“而且,如果像下面这样表示的话,当x趋向于 0 的时候,也应该是趋向于 1 的。”
从刚才开始,米尔嘉就只和泰朵拉说话。公式展开的速度也比往常要慢。她大概是为了让泰朵拉更容易理解吧。
可见,
从这里开始该向哪里前进呢?面对好像已经看穿一切的米尔嘉,不知道怎么的,我变得焦躁不安起来。米尔嘉到底知道多少呢?为什么她提起了巴塞尔问题呢?村木老师的行动计划到底又是指什么呢?尽是些我不明白的事情。但是,有种预感告诉我,会蹦出一些很伟大的东西。
啊?
“泰朵拉,你也在思考巴塞尔问题吗?”