尋找以下無窮級數的一個閉型(所謂閉型即精确值):
上面這個級數我們稱之為巴塞爾級數,和調和級數非常相似,隻不過分母都是自然數的平方。這個問題在其提出後46年,1735年,被年輕的歐拉所破解,該級數收斂至(π^2)/6。歐拉不僅對于巴塞爾問題給出了解,而且在1740年給出了對于那些n是偶次方的級數的解(如下式,其中B為貝努利常數:)
但對于n是奇數的情況,歐拉什麼也沒有說。直到1978年,才證明了n=3時這個數是個無理數。
ζ函數的級數的收斂值随着n的不同而不同,對于偶數我們有歐拉給到的具體結果,對于奇數我們知之甚少。而上式也讓我們和黎曼ζ函數有了第一次聯系,黎曼将他1859年的論文中有關上式的變量n改成了s,如下式:
我們知道當s=1的時候,級數是發散的,當s>1時,級數收斂,那麼針對每一個s(s>1)都有一個相對應的值,我們把它繪制成圖形就如下圖:
而當s<1時,你可以很快發現這個級數都是發散的,那麼對于黎曼ζ函數上圖就是全部的圖形嗎?當然不是。
我們利用埃拉托色尼篩法對ζ函數的連加形式做一些調整。首先等式兩邊同乘1/(2^s),得到:
我們用ζ函數減去上式,即消去了所有2的倍數的項,得到:
我們依葫蘆畫瓢,上式再乘1/(3^s),得到:
仍然讓兩式相減,得到:
如果我們繼續不斷的做下去,會将把所有的素數都提取出來放到了等式的左邊,而等式的右邊則為1:
我們把上式整理一下,把所有的素數挪到等式右邊,用連乘積符号表示如下:
這樣和所有自然數相關的一個和,與所有素數相關的一個積就這樣聯系到了一起,這就是歐拉乘積公式,它将一個連續的和變成了連續的積:
要介紹這個函數牽扯到微積分,我這邊不多贅述,導數指的是函數曲線的切線斜率,積分指的是函數曲線下方的面積。而Li(x)其實是對1/ln(x)求積分得到(如下式),為什麼特别用這麼個符号,因為這個積分無法用初等方法表示。
附送它的圖像:
為什麼要提到這個函數,因為它是對素數個數π(x)的一個更好的估計,修正後的素數定理可以表示為:
下圖展示了,2個對于素數個數估計的近似結果,可以看出Li(x)更接近于實際值。
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