莱昂哈德·欧拉|调和级数——自然真理是如何隐藏在数字中的,永远不要相信直觉


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【莱昂哈德·欧拉|调和级数——自然真理是如何隐藏在数字中的,永远不要相信直觉】
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如果你看看下面的表达式:
你可能会想知道 , 一直加下去会得到怎样的结果 。 后面的数字不断变小 , 直到它可以忽略不计 。 你可能想知道它是否仍然对总和有贡献 。
这个表达式被称为 \"调和级数\" 。 N项调和级数的值是1到N倒数的和 。
前五项(N=5)是:
那么 , 前100项、前1000项、前100万项、前100亿项是多少?它们是否收敛于一个值?
让我们来计算这些:

  • N = 5 → 2.28333...
  • N = 10 → 2.92897...
  • N = 100 → 5.18738...
  • N = 1000 → 7.48547...
  • N = 1000000 → 16.69531...
  • N = 1000000000 → 21.30048...
由此可见 , 调和级数增长得非常慢 , 在10亿次之后 , 只能达到21.3004 , 之后增长速度越来越慢 。 它实际上需要:
15092688622113788323693563264538101449859497项才能超过100 。 那么 , 它最终会去哪里?它是 \"停 \"在某个具体的值上 , 还是继续增长?
让我们看看其他级数是否会收敛到某个数值上 。 例如 , 让我们看一下平方的倒数:
我且称它为 \"平方级数\" , 它其实没有官方的名字 。 事实上 , 这个级数确实收敛 , 收敛到(π^2)/6(=1.644934) 。
这被称为 \"巴塞尔问题\" , 它确立了莱昂哈德-欧拉在数学界的地位 , 因为他用非常简洁的方法解决了这个问题 。
你可能会对 \"π\"的出现感到惊讶 。 这里出现的π^2有很多 \"原因\" , 没有单一的答案 。 这更像是说水为什么是蓝色的 。 水首先不是蓝色的 , 天空是蓝色的 , 这本身与你自己的眼睛有很大关系 , 也与复杂的电磁力和其他物理学有很大关系 。
归根结底 , 所有这些都与宇宙的真理相联系 , 但有几种方法可以将这些真理连接成一个解释 。 基本上 , 一个 \"无限长的线 \"的问题可以被转换为一个 \"无限大的圆 \"的问题 。 虽然圆的长度和直径变得无限大 , 但它们的比率保持不变:π 。
“平方级数” :
趋近于 \"某数 \"的原因是相当容易理解的 , 不需要借助于一些更复杂的力学 。
我们看看另一个级数:
其中分母按照1 , 2 , 6 , 12 , 20 , ......的顺序排列 , 即:
并注意两个事实: