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:
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:
因为这级数的一般项
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:)
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
其中表示该函数的周期.将这函数傅里叶展开,可得
下面陈述一个重要定理:
若是周期为的函数的第一类间断点,那么将代入傅里叶级数,傅里叶级数收敛于
容易知道是上面的函数的间断点,将代入上面的式子,就有
(上式中的符号指,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,需要在等式两边对取极限,使.
于是只要求出等式右边的极限即可.
这极限中的使极限变得复杂,于是将中的展开(因为本身无法在处展开)
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的情况.因为,所以可以得到
其中的条件是显然的,因为将这些值代入等式左右两边都无意义.