Мистерията на константата на Каталан и известни решения на безкрайни суми, които всеки трябва да знае

Мистерията на константата на Каталан и известни решения на безкрайни суми, които всеки трябва да знае | Д-р Атанас Илчев
📞 Онлайн уроци по математика за цялата страна◆ гл. ас. д-р Атанас Илчев◆ Индивидуални и групови уроци • Тел: 0883 375 433◆ Подготовка за НВО, ДЗИ, кандидатстудентски изпити◆ 📞 Онлайн уроци по математика за цялата страна◆ гл. ас. д-р Атанас Илчев◆ Индивидуални и групови уроци • Тел: 0883 375 433◆ Подготовка за НВО, ДЗИ, кандидатстудентски изпити◆
★ Интересно от математиката

Мистерията на константата на Каталан и известни решения на безкрайни суми, които всеки трябва да знае

Хармоничният ред, сумата на Лайбниц, Базелската задача, константата на Апери, константата на Каталан — зад всяко от тези имена стои история на откритие, изненада, а понякога и дълбока загадка, която математиката все още не е разрешила.

Д-р Атанас Илчев • Поредица: Интересно от математиката
Безкрайни редове — константа на Каталан

Безкрайните редове — или безкрайните суми — са сред математическите обекти, които неизменно ме очароват. И явно не съм сам: те привличат интереса на широка публика, защото съчетават съвсем прости за формулиране въпроси с дълбоки и често неочаквани отговори. Колкото повече хора се срещнат с тази красива материя, толкова по-добре — както за самите тях, така и за математическата култура изобщо.

В тази статия ще разгледаме какво знаем, но и какво не знаем за тези редове. В центъра на вниманието ни ще бъде една от най-простите и същевременно най-загадъчните константи в математиката — константата на Каталан, означавана с \(G\). Но преди да стигнем до нея, нека тръгнем от началото.

Класически резултати

Класически безкрайни редове

От средата на XIV век знаем, че хармоничният ред \[1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}+\cdots\] е разходящ. Това означава, че частичните му суми нарастват неограничено — макар и изключително бавно (до \(n\)-ия член сумата се държи приблизително като \(\ln n\)). Първото известно доказателство дава френският натурфилософ Никол Оресме около 1350 г. Колкото и голяма граница да изберем, при достатъчно много членове тя в крайна сметка ще бъде надхвърлена.

Ако заменим естествените числа в знаменателите с простите числа, редът отново е разходящ — макар простите числа да стават все по-редки, сумата от реципрочните им стойности все пак расте неограничено. Съвсем различно е положението при простите числа близнаци (двойки от вида \((p, p+2)\), например 3 и 5, 11 и 13): там сумата е сходяща. Това е косвено свидетелство, че близнаците са разположени значително по-нарядко от простите числа изобщо.

Тя се определя точно така: \[B_2=\sum_{\substack{p\ \text{просто}\\ p+2\ \text{просто}}}\left(\frac{1}{p}+\frac{1}{p+2}\right).\] Едно просто число, участващо в две двойки — например 5 в \((3,5)\) и \((5,7)\) — влиза в сумата два пъти. През 1919 г. Виго Брун доказва, че този ред е сходящ; стойността му \(B_2\approx1{,}9021605831\) се нарича константа на Брун. Сходимостта не решава дали двойките близнаци са крайно, или безкрайно много — тя само доказва, че те са значително по-редки от простите числа изобщо. Тук се крие и любопитна историческа брънка: през 1994 г., докато пресмята именно тази константа, американският математик Томас Найсли открива прочутия дефект в делението на процесорите Intel Pentium (бъгът FDIV) — заради него Intel отчита предварителен разход от 475 милиона долара за подмяната на засегнатите чипове.

Нека сега вземем хармоничния ред, но с редуване на знаци пред членовете:

\[1-\frac{1}{2}+\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+\cdots = \ln 2.\]

Редуването на знаци прави голяма разлика — от разходяща сума получаваме сходяща, и то с точно определена стойност. Това се доказва лесно чрез реда на Тейлър за естествения логаритъм.

Следващата стъпка е да попитаме: ами ако вземем само нечетните числа в знаменателите, пак с редуване на знаци? В края на XIV век индийският математик Мадхава от Сангамаграма (ок. 1340–1425) доказва следния невероятен резултат:

\[1-\frac{1}{3}+\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\cdots = \frac{\pi}{4}.\]
ⓘ Мадхава и Европа
Мадхава и представителите на Кералската школа получават това разложение над два века преди сходни резултати да бъдат намерени независимо в Европа — от Джеймс Грегъри, Исак Нютон и Готфрид Лайбниц. Става дума за разложения в степенни редове за синус, косинус и арктангенс (общата теория на Тейлър се появява по-късно). Именно заради тази историческа справедливост редът днес нерядко се нарича ред на Мадхава–Грегъри–Лайбниц, а в по-кратък вариант — ред на Мадхава–Лайбниц.

Появата на \(\pi\) тук не е случайна: този ред е специалният случай \(x=1\) на разложението на \(\arctan x\), а \(\arctan 1 = \frac{\pi}{4}\) — стойността, отговаряща на ъгъл от \(45^\circ\), който има непосредствена геометрична връзка с окръжността.

Тази сума днес носи името на Готфрид Лайбниц, но е известна с изключително бавната си сходимост: за да се гарантира грешка под \(10^{-10}\) само чрез пряко сумиране, са нужни приблизително 20 милиарда члена. Затова редът няма практическа стойност за бързо пресмятане на \(\pi\), но е забележителен като проста и красива връзка между аритметичен ред, функцията арктангенс и числото \(\pi\).

Базелската задача

Базелска задача — Ойлер

През 1644 г. италианският математик Пиетро Менголи поставя задачата да се намери точната стойност на реда: \[1+\frac{1}{4}+\frac{1}{9}+\frac{1}{16}+\cdots \approx 1{,}6449\ldots\] Числата в знаменателите са точни квадрати; днес този ред се записва като \(\zeta(2)\). Задачата се оказва изключително твърд орех — близо девет десетилетия тя устоява на опитите на едни от най-силните европейски математици. Става известна като Базелската задача по името на швейцарския град Базел, свързан както със семейство Бернули, така и с Леонард Ойлер.

През 1735 г. двадесет и осемгодишният Леонард Ойлер обявява забележителния резултат. В първоначалния си аргумент той разглежда \(\sin x\) като своеобразен безкраен полином и използва разлагането \[\sin x = x\prod_{n=1}^{\infty}\!\left(1-\frac{x^2}{\pi^2 n^2}\right).\] Сравняването на коефициентите от двете страни води до търсената стойност. Аргументът е прозорлив, но използва операции, които по-късно трябва да бъдат обосновани строго — самият резултат обаче е верен:

\[1+\frac{1}{4}+\frac{1}{9}+\frac{1}{16}+\cdots = \frac{\pi^2}{6}.\]
Равенството \(\zeta(2)=\frac{\pi^2}{6}\) е сред най-известните в анализа: ред, изграден единствено от реципрочните стойности на квадратите, се оказва свързан с геометричната константа \(\pi\). Това е един от ранните и най-впечатляващи примери за връзката между анализа и теорията на числата. През следващите години Ойлер се връща многократно към резултата и предлага и други доказателства.

Версията с редуващи се знаци следва без особено усилие: \[1-\frac{1}{4}+\frac{1}{9}-\frac{1}{16}+\cdots = \frac{\pi^2}{12}.\] Ойлер не спира дотук. Той разглежда редовете с по-висока степен на знаменателите и открива обща формула за четни степени, включваща т.нар. числа на Бернули — ирония на историята, тъй като Якоб Бернули е сред тези, които не успяват да решат Базелската задача. Например при степен 4: \[1+\frac{1}{2^4}+\frac{1}{3^4}+\frac{1}{4^4}+\cdots = \frac{\pi^4}{90}.\]

Загадката

Загадката — константа на Каталан

Чрез анализа на Фурие може да се докаже и следният красив резултат: \[1-\frac{1}{3^3}+\frac{1}{5^3}-\frac{1}{7^3}+\cdots = \frac{\pi^3}{32}.\] Нека обобщим. Разгледахме следната таблица от редове и техните стойности:

ln 2
\(\displaystyle 1-\frac{1}{2}+\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+\cdots = \ln 2\)
π/4
\(\displaystyle 1-\frac{1}{3}+\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\cdots = \frac{\pi}{4}\)
ζ(2)
\(\displaystyle 1+\frac{1}{4}+\frac{1}{9}+\frac{1}{16}+\cdots = \frac{\pi^2}{6}\)
η(2)
\(\displaystyle 1-\frac{1}{4}+\frac{1}{9}-\frac{1}{16}+\cdots = \frac{\pi^2}{12}\)
ζ(4)
\(\displaystyle 1+\frac{1}{2^4}+\frac{1}{3^4}+\frac{1}{4^4}+\cdots = \frac{\pi^4}{90}\)
β(3)
\(\displaystyle 1-\frac{1}{3^3}+\frac{1}{5^3}-\frac{1}{7^3}+\cdots = \frac{\pi^3}{32}\)

Внимателният читател ще забележи, че в тази таблица липсват две стойности. Първата е:

\[G = 1-\frac{1}{3^2}+\frac{1}{5^2}-\frac{1}{7^2}+\cdots \approx 0{,}915965594\ldots\]

Това е константата на Каталан, наречена на белгийско-френския математик Еужен Шарл Каталан, който през 1865 г. публикува изследване, свързано с нея. На пръв поглед изглежда като естествения следващ член в таблицата — и наистина е. За \(G\) са известни множество точни представяния чрез редове и интеграли, но не и проста формула от вида на \(\beta(1)=\frac{\pi}{4}\) или \(\beta(3)=\frac{\pi^3}{32}\). Нещо повече — все още не е доказано дори дали \(G\) е рационално, или ирационално число.

„Вероятно най-основната константа, чиято ирационалност и трансцендентност — макар и силно подозирани — остават недоказани.“ — Д. Бейли, Дж. Борвайн, А. Матингли и Г. Уитуик, „Изчисляване на недостъпни по-рано цифри на \(\pi^2\) и константата на Каталан“, Notices of the American Mathematical Society, 60(7), 844–854, 2013 г.

\(G\) е специалната стойност \(\beta(2)\) на бета функцията на Дирихле. Появява се в теорията на числата, комбинаториката и в множество определени интеграли. Два особено елегантни примера:

\[G = \frac{1}{2}\int_0^{\pi/2}\!\frac{x}{\sin x}\,dx \qquad \text{и} \qquad G = \int_1^{\infty}\!\frac{\ln x}{1+x^2}\,dx.\]

Двата интеграла изглеждат съвсем различни, но водят до едно и също число. Въпреки множеството подобни представяния аритметичната природа на \(G\) остава неизвестна — доказването на неговата ирационалност или намирането на неочаквана връзка със стандартните константи би било значителен математически резултат.

Другата липсваща стойност в таблицата е:

\[\zeta(3) = 1+\frac{1}{2^3}+\frac{1}{3^3}+\frac{1}{4^3}+\cdots \approx 1{,}202056903\ldots\]

Това е константата на Апери, наречена на френския математик Роже Апери. През 1978 г. той доказва по напълно изненадващ начин, че \(\zeta(3)\) е ирационално число — първият голям пробив в изследването на нечетните стойности на зета функцията. Ойлер също е изследвал \(\zeta(3)\): пресмятал я е числено и е намирал различни нейни представяния, но не е открил проста формула, аналогична на \(\zeta(2)=\frac{\pi^2}{6}\) и \(\zeta(4)=\frac{\pi^4}{90}\). И до днес \(\zeta(3)\) е единствената конкретна нечетна стойност с поотделно доказана ирационалност; в същото време резултатите на Ривоал и Бол–Ривоал (2000–2001 г.) показват, че сред нечетните стойности има безкрайно много ирационални, без все още да можем да посочим кои точно.

Редът с редуващи се знаци не води до нова независима константа, защото \(1 - \frac{1}{2^3} + \frac{1}{3^3} - \cdots = \eta(3) = \bigl(1-2^{1-3}\bigr)\zeta(3) = \frac{3}{4}\zeta(3)\). Затова въпросите за неговата ирационалност и за евентуална проста формула са равностойни на съответните въпроси за \(\zeta(3)\).

Зета функцията, бета функцията и хипотезата на Риман

Повечето редове, които разгледахме, се събират около две основни функции. Първата е зета функцията на Риман \[\zeta(s) = 1+\frac{1}{2^s}+\frac{1}{3^s}+\frac{1}{4^s}+\cdots \qquad (\operatorname{Re}(s)>1),\] а втората — бета функцията на Дирихле \[\beta(s) = 1-\frac{1}{3^s}+\frac{1}{5^s}-\frac{1}{7^s}+\cdots\] Зета функцията е най-простият пример за т.нар. \(L\)-функция на Дирихле, а бета функцията отговаря на непринципен характер по модул 4. Редът с редуващи се знаци \(\eta(s)=1-\frac{1}{2^s}+\frac{1}{3^s}-\cdots\), който също срещнахме, не е нова самостоятелна функция — той е просто кратно на зета функцията: \(\eta(s)=\bigl(1-2^{1-s}\bigr)\zeta(s)\).

Именно за зета функцията Ойлер открива забележителното произведение, взето по всички прости числа: \[\zeta(s) = \prod_{p\ \text{просто}} \frac{1}{1 - p^{-s}} \qquad (\operatorname{Re}(s)>1).\] Това тъждество е аналитичен запис на факта, че всяко естествено число се разлага по единствен начин на прости множители — и тъкмо то превръща зета функцията в мост между анализа и теорията на простите числа.

Тук се крие и една изненада, подмината от мнозина: за нечетните стойности на бета функцията изобщо няма загадка. Те се дават от обща формула чрез числата на Ойлер \(E_{2m}\): \[\beta(2m+1) = \frac{(-1)^m E_{2m}}{4^{m+1}\,(2m)!}\,\pi^{2m+1},\] откъдето следват \(\beta(1)=\frac{\pi}{4}\), \(\beta(3)=\frac{\pi^3}{32}\) и \(\beta(5)=\frac{5\pi^5}{1536}\). С други думи, появата на \(\pi\) при нечетна степен не е случайност, а част от закономерност. Съвсем различно е положението при четните аргументи \(\beta(2)=G\), \(\beta(4),\ldots\): за тях са известни много редове и интеграли, но не и проста формула от типа „рационално число, умножено по степен на \(\pi\)“. Тук аритметичната картина остава неясна — дори ирационалността на \(G\) все още не е доказана.

И двете функции могат да се продължат отвъд областта, в която редовете се сумират — но с важна разлика. Бета функцията се продължава като цяла функция върху цялата комплексна равнина, докато зета функцията е мероморфна: тя има един-единствен полюс при \(s=1\) — точно там, където сумата ѝ е разходящият хармоничен ред. При това продължаване \(\zeta\) получава т.нар. тривиални нули в точките \(-2, -4, -6, \ldots\), а \(\beta\) — в \(-1, -3, -5, \ldots\)

Останалите, нетривиални нули са същинската загадка. Хипотезата на Риман твърди, че всички нетривиални нули на \(\zeta(s)\) лежат на правата \(\operatorname{Re}(s)=\tfrac{1}{2}\). Нейната обобщена версия разширява същото твърдение към всички \(L\)-функции на Дирихле, включително към \(\beta(s)\). Именно обикновената хипотеза на Риман — тази за \(\zeta\) — е един от седемте проблема на хилядолетието на Института „Клей“ с награда от 1 000 000 долара; обобщената версия е по-силно твърдение, но не е отделно включена в списъка. Хилберт е казвал, че ако се събуди след хиляда години сън, първият му въпрос ще бъде дали хипотезата на Риман най-сетне е доказана.

Аналитичното продължение поднася и на пръв поглед парадоксални стойности. Например \(\zeta(-1) = -\tfrac{1}{12}\) — оттам идва и прочутото „равенство“ \(1+2+3+\cdots = -\tfrac{1}{12}\). Важно е обаче да се подчертае: това не означава, че разходящата сума \(1+2+3+\cdots\) има обикновена стойност \(-\tfrac{1}{12}\). Редът си остава разходящ; числото \(-\tfrac{1}{12}\) е стойността на аналитичното продължение на зета функцията при \(s=-1\) (т.нар. зета-регуляризация). Повече за тази смайваща стойност разказвам в статията за сумата на Рамануджан.

Всичко това показва, че безкрайните редове, с които започнахме — на пръв поглед прости аритметични суми — водят към едни от най-дълбоките въпроси в математиката: разпределението на простите числа, аритметичната природа на математическите константи и границите на това, което изобщо можем да докажем.

Мадхава, Грегъри, Лайбниц, Ойлер и останалите герои в тази история едва ли са могли да предвидят каква огромна теория ще израсне от техните открития. А в основата ѝ стои един съвсем прост въпрос — какво се получава, ако продължаваме да прибавяме все нови и нови членове? Именно такива наивни на пръв поглед въпроси често отвеждат математиката до най-дълбоките ѝ идеи.

Безкрайни редове Константа на Каталан Базелска задача Зета функция на Риман Хипотеза на Риман Ойлер Мадхава Константа на Апери
Следваща статия от поредицата
Леонард Ойлер — най-плодотворният математик в историята

Запишете урок

Индивидуални и групови онлайн уроци по математика за цялата страна

🎓 Подготовка за изпити
  • ›НВО по математика след 7. клас
  • ›НВО по математика след 10. клас
  • ›Кандидатстудентски изпити по математика
  • ›Подготовка по математика за ISEE, SAT и A Level
📚 Текущо обучение и студенти
  • ›Усвояване на текущия учебен материал (всички класове)
  • ›Студенти: математически анализ, линейна алгебра, аналитична геометрия, диференциални уравнения, теория на вероятностите, статистика и др.

Харесва ли ви съдържанието?

Ако тази статия ви е харесала, можете да подкрепите създаването на нови безплатни материали.

📞 Онлайн уроци по математика за цялата страна◆ гл. ас. д-р Атанас Илчев◆ Индивидуални и групови уроци • Тел: 0883 375 433◆ Подготовка за НВО, ДЗИ, кандидатстудентски изпити◆ 📞 Онлайн уроци по математика за цялата страна◆ гл. ас. д-р Атанас Илчев◆ Индивидуални и групови уроци • Тел: 0883 375 433◆ Подготовка за НВО, ДЗИ, кандидатстудентски изпити◆

Коментари

Популярни публикации от този блог

Безплатен сборник по математика – пълен преговор преди 7. клас

50 безплатни работни листа за 1. клас – Събиране и изваждане до 20 без преминаване

Безплатен сборник с 10 входни нива по математика за 7. клас