Basel Problem

Ho__sing·2023년 4월 8일

수학

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에라토스테네스의 체의 시간복잡도 증명과정에서 소수의 역수들의 합에 대해 공부하는 과정에서 비슷하지만 다른 형태인 자연수들의 제곱의 역수의 합 문제를 발견하게 되었는데, sin⁡x\sin x 식의 변형이 흥미로워서 포스팅해보게 되었다.

바젤 문제란?

문제는 매우 간단하다.

다음 급수의 값을 구하여라. ∑n=1∞1n2\displaystyle\sum_{n=1}^{\infin}\frac{1}{n^2}

오일러의 풀이

현대수학에서 보았을 때, 엄밀한 증명은 아니라고 한다.

오일러는 sin⁡x\sin x를 다항식으로 전개한 두 개의 식의 계수를 비교하여 바젤문제를 해결했다.
첫번째 전개 방식은 이전에 다뤄봤던 테일러 급수이다.

sin⁡x=x−x33!+x55!−⋯\sin x=x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-\cdots

두 번째 방식에 대해 설명하기에 앞서, 우리가 어떤 2차 방정식이 (1,0), (3,0)(1,0),\,(3,0)을 지난다고 하면 우리는 어떻게 이 식을 표현할 수 있을까. 어떤 4차 방정식이 (−5,0), (−2,0), (6,0), (9,0)(-5,0),\,(-2,0),\,(6,0),\,(9,0)을 지난다면?
아마 각각 y=m(x−1)(x−3)y=m(x-1)(x-3)과 y=m(x+5)(x+2)(x−6)(x−9)y=m(x+5)(x+2)(x-6)(x-9)로 표현할 수 있을 것이다.

그렇다면 sin⁡x\sin x는 어떤가, (0,0), (−π,0), (π,0),(−2π,0), (2π,0),⋯(0,0),\,(-\pi,0),\,(\pi,0),(-2\pi,0),\,(2\pi,0),\cdots을 지나므로 적당한 상수 m, m′m,\,m'에 대해 아래와 같이 표현할 수 있다.

sin⁡x=mx(x+π)(x−π)(x+2π)(x−2π)⋯\sin x=mx(x+\pi)(x-\pi)(x+2\pi)(x-2\pi)\cdots
sin⁡x=mx(x2−π2)(x2−4π2)⋯\sin x=mx(x^2-\pi^2)(x^2-4\pi^2)\cdots
sin⁡x=mx{(−π2)(−4π2)⋯ }(x2−π2+1)(x2−4π2+1)⋯\sin x=mx\{(-\pi^2)(-4\pi^2)\cdots\}(\frac{x^2}{-\pi^2}+1)(\frac{x^2}{-4\pi^2}+1)\cdots
sin⁡xx=m′(1−x2π2)(1−x24π2)⋯\frac{\sin x}{x}=m'(1-\frac{x^2}{\pi^2})(1-\frac{x^2}{4\pi^2})\cdots

양변에 lim⁡x→0\displaystyle\lim_{x\to 0}를 취해주면 m′=1m'=1임을 알 수 있다.

sin⁡xx=(1−x2π2)(1−x24π2)⋯\frac{\sin x}{x}=(1-\frac{x^2}{\pi^2})(1-\frac{x^2}{4\pi^2})\cdots
sin⁡x=x(1−x2π2)(1−x24π2)⋯\sin x=x(1-\frac{x^2}{\pi^2})(1-\frac{x^2}{4\pi^2})\cdots

위 식에서 x3x^3의 계수를 계산해보자.
−(1π2+14π2+19π2+⋯ )-(\frac{1}{\pi^2}+\frac{1}{4\pi^2}+\frac{1}{9\pi^2}+\cdots)
그리고 이 계수를 테일러 급수에서의 x3x^3의 계수와 비교해보면,

−13!=−(1π2+14π2+19π2+⋯ )-\frac{1}{3!}=-(\frac{1}{\pi^2}+\frac{1}{4\pi^2}+\frac{1}{9\pi^2}+\cdots)
16=1π2(1+14+19+⋯ )\frac{1}{6}=\frac{1}{\pi^2}(1+\frac{1}{4}+\frac{1}{9}+\cdots)
π26=1+14+19+⋯\frac{\pi^2}{6}=1+\frac{1}{4}+\frac{1}{9}+\cdots
∴ ∑n=1∞1n2=π26\therefore\,\displaystyle\sum_{n=1}^{\infin}\frac{1}{n^2}=\frac{\pi^2}{6}

지적 및 질문 환영합니다.

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ps 독학하면서 스스로에게 강의하며 정리 하는 곳, 지적과질문 환영

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