巴塞爾問題是一個著名的數論問題,這個問題首先由皮耶特羅·門戈利在1644年提出,由萊昂哈德·歐拉在1735年解決。由於這個問題難倒了以前許多的數學家,歐拉一解出這個問題馬上就出名了,當時他二十八歲。歐拉把這個問題作了一番推廣,他的想法后來被黎曼在1859年的論文《論小於給定大數的質數個數》(On the Number of Primes Less Than a Given Magnitude)中所采用,論文中定義了黎曼ζ函數,並證明了它的一些基本的性質。這個問題是以瑞士的第三大城市巴塞爾命名的,它是歐拉和伯努利家族的家鄉。這個問題是精確計算所有平方數的倒數的和,也就是以下級數的和:
這個級數的和大約等於1.644934(OEIS中的數列A013661)。巴塞爾問題是尋找這個數的准確值,並證明它是正確的。歐拉發現准確值是
,並在1735年公布。他的證明還不是十分嚴密,真正嚴密的證明在1741年給出。
歐拉最初推導的方法是聰明和新穎的。他把有限多項式的觀察推廣到無窮級數,並假設相同的性質對於無窮級數也是成立的。當然,歐拉的想法不是嚴密的,還需要進一步證明,但他計算了級數的部分和后發現,級數真的趨於π^/6,不多不少。這給了他足夠的自信心,把這個結果公諸於眾。歐拉的方法是從正弦函數的泰勒級數展開式開始:
兩邊除以x,得:
現在,
的根出現在
,其中
我們假設可以把這個無窮級數表示為線性因子的乘積,就像把多項式因式分解一樣:
如果把這個乘積展開,並把所有
的項收集在一起,我們可以看到, sinx/x的二次項系數為:
但從sinx/x原先的級數展開式中可以看出,x^2的系數是
。這兩個系數一定是相等的;因此,
等式兩邊乘以-π^2就可以得出所有平方數的倒數之和。
證畢。
