一个像巴塞尔级数的级数

我们知道,所有正整数倒数的平方和的倒数收敛于一个固定的值:

n=11n2=1+122+132++1n2+=π26

这一级数问题被称为巴塞尔(Basel)问题,所以不妨称这级数为巴塞尔级数.

再来看另一个类似的级数:

n=11n2+k=112+k+122+k+(k>0)

因为这级数的一般项

1n2+k<1n2

所以由比较审敛法可知该级数收敛,但如何求出这一级数的值呢?我们不妨再回头看巴塞尔级数,它的推导用到了傅里叶(Fourier)级数,即将f(x)=x2展开为了三角级数.

(三角级数是将一个周期函数展开为正弦函数与余弦函数的和,具体展开式如下:)

f(x)=a02+n=1(ancosnx+bnsinnx)an=1πππf(x)cosnxdxbn=1πππf(x)sinnxdx

我们对于类巴塞尔级数的推导也可从傅里叶级数,但展开的函数变为

f(x)=ekx(πx<π),T=2π

其中T表示该函数的周期.将这函数傅里叶展开,可得

f(x)=ekπekππ[12k+n=1(1)nn2+k2(kcosnxnsinnx)]

下面陈述一个重要定理:

x0是周期为2π的函数的第一类间断点,那么将x0代入傅里叶级数,傅里叶级数收敛于

f+(x0)+f(x0)2

容易知道π是上面的函数的间断点,将π代入上面的式子,就有

ekπ+ekπ2=ekπekππ[12k+n=1(1)nn2+k2(kcosnπnsinnπ)]ekπ+ekπ2=ekπekππ[12k+n=1(1)nn2+k2k(1)n]n=11n2+k2=1k(ekπ+ekπ2πekπekπ12k)n=11n2+k2=kπcothkπ12k2n=11n2+k=kπcothkπ12k(k>0)

(上式中的cothx符号指ex+exexex,称为双曲余切)

这也就推出了上面级数的和.

但是这个式子仅当k>0时成立,如果我们希望这个式子能推出我们熟悉的巴塞尔级数,需要在等式两边对k取极限,使k0+.

limk0+n=11n2+k2=limk0+kπcothkπ12k2n=11n2=limk0+kπcothkπ12k2

于是只要求出等式右边的极限即可.

这极限中的coth使极限变得复杂,于是将coth中的ex展开(因为coth本身无法在0处展开)

limk0+kπcothkπ12k2=limk0+kπekπ+ekπekπekπ12k2=limk0+kπ[1+kπ+k2π22+k3π36+o(k3)]+[1kπ+k2π22k3π36+o(k3)][1+kπ+k2π22+k3π36+o(k3)][1kπ+k2π22k3π36+o(k3)]12k2=limk0+kπ2+k2π2+o(k3)2kπ+k3π33+o(k3)12k2=limk0+23π3k3+o(k4)+o(k3)4πk3+23π3k5+o(k5)=limk0+23π3k3+o(k3)4πk3+23π3k5+o(k5)=limk0+23π3+o(k3)k34π+23π3k2+o(k5)k3=π26

这也就是巴塞尔级数.

接下来我们将上面级数的结论推导至kR的情况.因为cothix=icotx,所以可以得到

n=11n2k=1kπcotkπ2k(k>0,k12,22,)

其中k12,22,的条件是显然的,因为将这些值代入等式左右两边都无意义.