NexTutor
Wirtualne laboratorium/Matematyka/Analiza matematyczna/Problem bazylejski — π w sumie odwrotności kwadratów
Wielkie odkrycie 1735 — Euler

Problem bazylejski — π w sumie odwrotności kwadratów

Rozszerzenie tematu szeregów i granic. Suma odwrotności kwadratów 1+1/4+1/9+1/16+… jest zbieżna (w przeciwieństwie do rozbieżnego szeregu harmonicznego) i — zaskakująco — równa dokładnie π²/6≈1,645. Pojawienie się π w czysto arytmetycznej sumie to jeden z najpiękniejszych wyników matematyki. Problem postawił Mengoli (1644), a rozwiązał 28-letni Leonhard Euler w 1735 r.

Matematyka · Analiza matematyczna · Problem bazylejski — π w sumie odwrotności kwadratów (1735)
Liczba wyrazów sumy NN10
Suma 1+14+19+116+1+\tfrac14+\tfrac19+\tfrac1{16}+\dots (w nieskończoność) jest…
wyrazów N
10
ostatni wyraz 1/N²
0.010000
suma S(N)
1.54977
granica π²/6
1.64493
π²/6 − S(N)
0.09517

Co się właśnie stało?

Dodawałeś kolejne odwrotności kwadratów: 1, 14, 19, 116,1,\ \tfrac14,\ \tfrac19,\ \tfrac1{16},\dots Kolejne wyrazy kurczą się kwadratowo, więc suma częściowa bardzo szybko przestaje istotnie rosnąć i zatrzymuje się tuż pod pewnym sufitem. Ten sufit to dokładnie π2/6\pi^2/6 — i to jest największe zaskoczenie: liczba π\pi, związana z okręgiem, pojawia się w czysto arytmetycznej sumie.

Problem bazylejski:

1+14+19+116+=π261+\tfrac14+\tfrac19+\tfrac1{16}+\dots=\dfrac{\pi^2}{6}

Chodzi o znalezienie dokładnej sumy szeregu odwrotności kwadratów. Postawił go Pietro Mengoli w 1644 r., a przez blisko 90 lat próbowali go rozwiązać najwybitniejsi matematycy (m.in. Bernoulli), bez skutku. Nazwa pochodzi od szwajcarskiego miasta Bazylea, skąd wywodziła się zajmująca się nim rodzina Bernoullich.

Rozwiązanie Eulera (1735 r.):

Problem rozwiązał dopiero 28-letni Leonhard Euler, wykazując zdumiewający wynik: suma wynosi dokładnie π2/61,6449\pi^2/6 \approx 1{,}6449. To osiągnięcie przyniosło mu natychmiastową sławę. Wynik zapoczątkował też badania nad funkcją dzeta Riemanna: w jej języku ζ(2)=n=11n2=π26\zeta(2)=\sum_{n=1}^{\infty}\tfrac1{n^2}=\tfrac{\pi^2}{6} — jednym z filarów teorii liczb.

Zbieżny, a nie rozbieżny — dlaczego?

Porównaj z szeregiem harmonicznym 1+12+13+1+\tfrac12+\tfrac13+\dots, który jest rozbieżny (suma dąży do nieskończoności). Tam wyrazy 1/n1/n maleją zbyt wolno. Tu wyrazy 1/n21/n^2 maleją znacznie szybciej — kwadratowo — i to wystarcza, by suma była skończona. Szereg 1/n2\sum 1/n^2 jest więc zbieżny, a jego granicą jest właśnie π2/6\pi^2/6.

Po co Ci to na maturze:

To sztandarowa para do zapamiętania: 1/n\sum 1/n — rozbieżny, 1/n2\sum 1/n^2 — zbieżny. Tempo malenia wyrazów decyduje o zbieżności szeregu. Sam warunek an0a_n\to 0 nie wystarcza — liczy się, jak szybko maleją.

Zapamiętaj: szereg n=11/n2\sum_{n=1}^{\infty} 1/n^2 jest zbieżny, a jego suma wynosi dokładnie π2/61,6449\pi^2/6 \approx 1{,}6449. Zaskakujące pojawienie się π\pi w sumie odwrotności kwadratów to jeden z najpiękniejszych wyników matematyki (Euler, 1735).

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Najczęstsze pytania

Ile wynosi suma 1+¼+⅑+…?

Dokładnie π²/6 ≈ 1,645 — szereg jest zbieżny.

Czemu ten szereg jest zbieżny, a harmoniczny nie?

Bo wyrazy 1/n² maleją znacznie szybciej (kwadratowo) niż wyrazy 1/n szeregu harmonicznego.

Kto rozwiązał problem bazylejski?

Leonhard Euler w 1735 r., w wieku 28 lat — co przyniosło mu natychmiastową sławę.