\(1+\frac{1}{2^2}+\frac{1}{3^2}+\frac{1}{4^2}+\cdots\)到底等于多少

讨论这个问题之前,我们需要对调和级数有个简单了解。\(1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}+\cdots\)称为调和级数,这个级数中的通项是\(\frac{1}{n}\),显然,随着\(n\)的无限增大,\(\frac{1}{n}\)会无限制地减小。调和级数究竟是无限大,还是等于一个固定的正数呢?这并非一个一目了然的问题。

14世纪法国学者奥雷姆巧妙地证明了\(1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}+\cdots\)是无穷大。到了17世纪,瑞士数学家约翰·伯努利给出了一个新的证明,此证明就发表在其兄雅各布·伯努利的著作中。

接着,他们进一步说明\(1+\frac{1}{2^2}+\frac{1}{3^2}+\frac{1}{4^2}+\cdots<2\),但却无力求出\(1+\frac{1}{2^2}+\frac{1}{3^2}+\frac{1}{4^2}+\cdots\)的确切值。

雅各布·伯努利不无遗憾地说:“如果有人能够发现并告知我们迄今为止这一尚未解决的难题的答案,我们将不胜感谢。”

后来,解决这个问题的人终于出现了,他正是18世纪最伟大的数学家欧拉。

为了求得这一值,欧拉先后对此式计算到小数点后第七位及第十二位,但这算的是近似值,1735年,欧拉考察了一个与正弦有关的函数并将其展开形式结合“韦达定理”,最终求得 \[1+\frac{1}{2^2}+\frac{1}{3^2}+\frac{1}{4^2}+\cdots=\frac{\pi^2}{6}.\]

由于这项成就,欧拉一下子出了名。其实,这个问题最早是1644年意大利数学家门戈利提出的。现在这个问题被称为“巴塞尔问题”,巴塞尔是伯努利家族和欧拉的故乡。欧拉的证明方法不太严格,不久以后,严格的证明找到了,特别是利用傅里叶级数理论可以很容易地进行证明。

利用极限的观点(可以先计算不大于某个自然数k的任两个自然数互素的概率,然后令k趋向于无穷),很容易证明,任意两个自然数互素的概率为 \[\cfrac{1}{1+\frac{1}{2^2}+\frac{1}{3^2}+\frac{1}{4^2}+\cdots},\] 于是由上述欧拉证明的结果,我们知道它就是\(\frac{6}{\pi^2}\)!