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一个令人惊叹的数学恒等式,一个天才的发现,一个意想不到的结果

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这篇文章,我们将全力解读由天才数学家斯里尼瓦瑟·拉马努金(Srinivasa Ramanujan)所提出的一个令人惊叹的数学恒等式。先看下面这个:



这是一个非常奇特的无限分数。然后还有这个无限和:



现在让我们将这两个“无限级数”相加:



这里有个π和e的因子,这是一个疯狂的结果。这两个无限级数,是如何将π和e联系在一起的?拉马努金在这种事情上是个天才,这个恒等式只是他发现的数千个恒等式中的一个,也是最美的一个恒等式。

1914年,拉马努金离开印度去英国的那一年,他挑战数学界,证明了他的恒等式是正确的。



这是印度数学学会杂志中的第541个问题。今天的任务就是,试图解开这两个无限级数是如何在数学天才的头脑中拼凑起来的。在这个过程中,我们会遇到一些数学中的伟大发现,比如Wallis公式:



高斯积分,



以及一个近乎疯狂的等式,



提醒一下,要想理解接下来的一切,你需要了解一些初级微积分的知识。

好的,开始吧。一个是无限和,一个是无限分数。让我们从无限和开始。你们可能会熟悉一个密切相关的无限和:



分母的乘积现在是连续的整数,而不仅仅是奇数。首先,让我们把这个和转换成一个关于变量x的幂级数,



计算这个幂级数的导数:



现在,首项是1。把这两个幂级数对齐:



上面是一个关于x的函数,我们称之为y(x),下面是它的导数y'(x),



不难发现:



这就是一个微分方程。要解它,我们需要找到一个函数,这个函数加1后,得到的是该函数的导数。有没有任何简单的函数可以满足这个微分方程?我相信你们已经猜到了。如果没有这个+1,那么要找的函数就是导数为自身的函数,这个函数就是指数函数:



指数函数并不是唯一一个等于其导数的函数。2乘以e的x次方也等于它的导数,3乘以e的x次方也是。实际上,具有这种特殊性质的函数正是形如常数乘以e的x次方的无穷多个函数。

现在,我们将1重新加入到微分方程中,



这可能会增加解微分方程的难度,但在这里它很简单。我们可以用c乘以e的x次方减去1来补偿这个+1,



这就是这个微分方程的所有解。但是,其中哪一个函数等于下面这个幂级数呢:



这很容易,只需插入x=0。那么右边就消失了,



所以我们看到y在0处等于0。把x=0带入通解中,



所以c等于1,那么



最后,插入x=1,就完成了,



现在让我们试着以完全相同的方式理解拉马努金的无限和,



将这个和扩展成一个幂级数,只用x的奇数次幂,



计算导数,



提出一个x,



像之前一样,我们将原幂级数命名为y(x),它的导数是y'。所以,



那么,这个微分方程的解是什么?和上一个微分方程一样,有无数的解,而y在x=0的值确定了哪个解等于无穷级数。那么0处的值是什么?是0,



最后的解是,



这看起来很吓人,但不用担心,求解过程不是重点,我们的任务是找出拉马努金的和。



我们只需要将x=1代入即可,



所以,右边的拉马努金和等于左边那个奇怪的积分表达式。我们可以计算出那个积分,值约为1.41。好像是2的平方根对吧?但实际上并不是。e的1/2次幂,就是根号e,



根号e就是拉马努金恒等式的一个成分。我们似乎在接近答案。但是这个积分呢?



这对许多人来说应该很熟悉,一个正态分布钟形曲线。那么整个积分就是钟形曲线在0和1之间的面积,



我在前面提到过的超级著名的高斯积分。钟形曲线的总面积,从-∞到∞,正好等于2π的平方根,



从0到∞的积分应该等于一半,



即有,



那么,



别忘记,



接下来,把0到无穷的积分分为两个部分,



我们已经证明了,



所以,剩下的就是要证明,



这一点也不明显。让我们开启天才模式。 用x来处理问题对无穷和非常有效。所以,让我们将所有内容以自然的方式扩展到一个x恒等式,然后尝试构造那个无穷小数。拆分左侧的根式,



积分符号上的1是从x得到的,



根号e变为,



这是一个相当自然的做法。并且,最重要的是,这个新的恒等式对所有的x都是成立的,不仅仅是x=1。因为无论我们选择什么x,两个黄色的积分加起来总是等于左侧的π除以2的平方根



剩下要做的,就是要证明,当x等于1时,有





为了解出y,我们得到这个差值,



要找出微分方程,我们需要y的导数,所以让我们在两边都取导数



不难发现,y包含在了它的导数中,做个简单替换得到,



通常,这个微分方程有无穷多个解。现在,我们要怎么做,才能在这无穷多个解中找出我们需要的那个解?和前面一样吗,我们计算y在0的值,代入x = 0得到,



现在,让我来展示如何从这个新的微分方程得到无穷分数,



我们从新的微分方程开始,首先在两边求导,



然后一直重复



注意到右边的1,2,3了吗?接下来将有一些真正的数学魔法。将第一个方程除以y。对所有其他的方程也做同样的处理。



你能看出来了吗?





多么神奇呀!我们已经完成了证明。



实际上,我们的证明远远超过了拉马努金的发现。这是一个恒等式,适用于所有的x。将x替换为1,就得到了拉马努金的等式。但是,拉马努金本人也非常清楚这个恒等式的某个版本。但数学研究者应该知道,无穷大具有欺骗性,对于我们到目前为止所做的事情,要真正算作一个证明,还有一些事情需要检查。否则,很容易得到类似于自然数之和等于-1/12这种疯狂的结果。

不可能的等式

为了看到问题,我们必须回看一下我们是如何得到这个无穷分数的,



开始时,注意到y满足下面这个微分方程,



而且y在0处等于根号π除以2,



现在,我们找到了微分方程的一个解,以无穷分数的形式。然而,我们求解微分方程的过程,没有使用y在0处等于根号π除以2的事实。这提醒我们还有更多的事情需要完成,因为我们如何能确保我们找到的解就是在0处取值为根号π除以2的解呢?问题已经找出,但也很容易解决,我们只需要将x=0代入分数,然后希望能将结果表达式转化为根号π除以2,





我们如何看出这个非常奇特的无穷分数的值是根号π除以2呢?让我们将这个无限分数变得有限,比如在7之后截断,



一直运算下去,最终得到,



所有的偶数在上面,所有的奇数在下面。这让我们想起我在文章开头提到的另一个无穷积,



这非常重要,是著名的Wallis积。在Wallis积中,所有的整数出现两次,2乘以2,3乘以3,等等。但是,在我们新的无穷积中,每个整数只出现一次,所以,



这正是我们希望找到的结果。但还有一些更疯狂的事情。事实证明,新的无穷乘积并不等于根号π除以2。是的,如果你真的试图通过2除以1乘以4除以3乘以6除以5等等去求这个无穷表达式的值,你会发现这个无穷表达式发散,即趋向于无穷大。但是,为什么Wallis积量不会发散?正如你们所见,这非常类似于拉马努金著名的自然数之和等于-1/12,这个等式实际上并不像一般等式那样有意义,但是与此同时,它在某些情况下确实像等式那样揭示了1+2+3+……=-1/12之间的深层联系。



对于我们这里的无穷积也是同样的情况,



这些“不可能的等式”在我们的场景中真正起了作用,即无穷函数分数在适当处理的情况下真的是那个微分方程的正确解,而拉马努金的通用x等式真的是正确的。这太深奥、太疯狂了,我们在这里无法深入讲解,但这一切都合情合理。

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