1-2+3-4+5-6的和是多少?
印度著名数学家拉曼努扬指出,如果把所有的自然数1、2、3、4等等,一直到无穷,加起来,你会发现,它等于-1/12。
首先,需要证明两个同样疯狂的说法:
1. 1–1+1–1+1–1 = 1/2。
2. 1-2+3-4+5-6 =1/4。
这才是真正神奇的地方,事实上,没有这个,其他两个证明是不可能的。
我从一个级数A开始,它等于1-1 + 1-1 + 1-1重复了无数次。这样写:A= 1 - 1 + 1 - 1 + 1 - 1。
然后做一个小技巧,从1中减去A:1 - A = 1 - (1 - 1 + 1 - 1 + 1 - 1)。
到目前为止都没问题吧?魔法要开始了!如果我化简方程的右边,我得到一个非常奇怪的结果:1 - A = 1 - 1 + 1 - 1 + 1 - 1 + 1。
在等式的右边,是我们开始时的级数。所以我可以用A代替右边,做一些代数运算,然后,就是见证奇迹的时刻:
1- A = A。
1-A + A = A + A。
1 = 2A。
1/2 = A。
这就是格兰迪的级数,以意大利数学家、哲学家格兰迪的名字命名。这就是这个级数的神奇之处,虽然它是我个人的最爱,但在这背后并没有一个很酷的历史或故事。然而,它确实为证明许多有趣的事情打开了大门,包括一个非常重要的量子力学方程,甚至弦理论。稍后再详细讲。现在,我们开始证明#2:1-2 + 3-4 + 5-6,= 1/4。
我们按照上面的方法开始,让B= 1-2 + 3-4 + 5-6然后我们就可以开始玩了。这一次,我们不是用1减去B,而是用A减去B。从数学上讲,我们得到:
A-B = (1–1+1–1+1–1) — (1–2+3–4+5–6)。
A-B = (1–1+1–1+1–1) — 1+2–3+4–5+6。
然后我们稍微改变一下,我们看到另一个有趣的模式出现了。
A-B = (1–1) + (–1+2) +(1–3) + (–1+4) + (1–5) + (–1+6)。
A-B = 0+1–2+3–4+5。
再一次,我们得到了开始时的级数,之前,我们知道A = 1/2,所以我们用一些更基本的代数来证明我们今天的第二个惊人的事实。
A-B = B。
A = 2B。
1/2 = 2B。
1/4 = B。
这个方程没有一个花哨的名字,因为它多年来已经被许多数学家证明,同时又被贴上了一个矛盾方程的标签。尽管如此,它还是在当时的学术界引发了一场争论,甚至帮助扩展了欧拉在巴塞尔问题中的研究,并将其引向重要的数学函数,如雷曼泽塔函数。
我们更近一步,下面才是你一直期待的。再一次,我们通过C = 1+2+3+4+5+6来开始,你可能已经猜到了,我们将从B中减去C。B-C = (1–2+3–4+5–6)-(1+2+3+4+5+6)。
我们将重新排列一些数字的顺序,在这里,我们得到的东西看起来很熟悉,但可能不是你怀疑的。
B-C = (1-2+3-4+5-6)-1-2-3-4-5-6。
B-C = (1-1) + (-2-2) + (3-3) + (-4-4) + (5-5) + (-6-6)。
B-C = 0-4+0-8+0-12。
B-C = -4-8-12。
如果你注意到,右边的所有项都是-4的倍数,所以我们可以提出这个常数因子,我们得到了开始时的结果。
B-C = -4(1+2+3)。
B-C = -4C。
B = -3C。
因为我们已经证明B=1/4的值,我们只要把那个值代入就得到了神奇的结果:
1/4 = -3C。
1/-12 = C。
应用:
首先,它被用在弦理论中。不幸的是,不是斯蒂芬·霍金的版本,而是弦理论的原始版本。不幸的是,玻色子弦理论已经有点过时了,被称为超对称弦理论,但最初的理论在理解超弦上仍然有它的用处,它是前面提到的更新的弦理论的组成部分。
拉曼努扬求和在一般物理学领域也有很大的影响,特别是在解决被称为卡西米尔效应的现象方面。亨德里克·卡西米尔预测,如果把两块不带电的导电板放在真空中,由于量子涨落产生的虚粒子面包的存在,它们之间就会产生引力。在卡西米尔的解决方案中,他使用了我们刚刚证明的来模拟板块间能量总量的总和。这就是为什么这个值如此重要的原因。
这就是20世纪初发现的拉曼努扬求和,它在物理学的许多不同分支上仍然影响了近100年。还在等什么!告诉 你旁边的女生,所有自然数之和是-1/12,然后证明给她看!