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题:浅谈“1+2+3+...=-1/12”是如何得出的
在数学领域中,有一个看似奇怪的现象——对于所有自然数n,1+2+3+...+n的和为n(n+1)/2。但如果把n看作-1,结果则会得出-1/12。此时,人们脑海中会不由自主地浮现出一连串的疑问:这是怎么回事?-1/12是什么意思?为什么会这么算?
到底是如何得出-1/12的呢?这里的关键在于另一个概念——黎曼zeta函数。黎曼zeta函数(Riemann zeta function)由德国数学家Riemann在1859年提出,被称为数学领域的“魔鬼函数”。其定义为:
zeta(s)=1 + 1/2^s + 1/3^s + 1/4^s + ...
其中s是复数,所以zeta函数本身也是复数。 当s=1时,这个无穷级数是发散的,但是,瑞曼惊人地发现,这个函数可以被延拓到s=−1上,并得到一个有限值:-1/12。
然而,“1+2+3+...+n”与黎曼zeta函数之间存在着什么神秘的联系呢?答案就是斯特林公式。斯特林公式是一条广义上的n!的阶乘问题的渐进公式表达式,具有如下形式:
n!~sqrt(2πn)*(n/e)^n
当n趋于无穷大时,斯特林公式可以知晓,它是一个非常精确的估计。
因此,斯特林公式可以用于计算zeta函数在s=−1点的值,也就是-1/12。
zeta(-1)=-1/12
首先,把s=−1代入黎曼zeta函数中,可以得到:
zeta(-1)=1 + 2 + 3 + 4 + ...
那为什么这个无穷级数的和可以等于-1/12呢?
这时候,斯特林公式又派上用场了。对阶乘进行斯特林公式的代换,可以得到:
n! = sqrt(2πn) * (n/e)^n * (1 + 1/12n + θ(n)), θ(n)是一个很小的余项
因此,当把代换后的n!代入无限级数的公式中,可以得到:
1 + 2 + 3 + 4 + ... = -1/12
至此,这个看似神秘的问题终于被解决了。注意到这里得到的无限和结果是一个解析式,而不是数学中常见的求和符号。因而它更被看作是一个拓展版本的和,而不是数学中常见的加和。所以,我们并不需要担心无限和的和可以为负数。
总之,对于我们对于“1+2+3+...=-1/12”的疑惑,现在我们似乎已经有了扳回的理由:实际上,这是用黎曼zeta函数和斯特林公式计算出来的结果。如果您想更好地理解这个问题,不妨多学习一下数学中的这些奇特概念,理解它们之间的运算模式,这不仅有助于您的学习,还可能为您在“奇思妙想”的科学创作中提供一些灵感。