网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

一个令人惊叹的数学恒等式,一个天才的发现,一个意想不到的结果

0
分享至



这篇文章,我们将全力解读由天才数学家斯里尼瓦瑟·拉马努金(Srinivasa Ramanujan)所提出的一个令人惊叹的数学恒等式。先看下面这个:



这是一个非常奇特的无限分数。然后还有这个无限和:



现在让我们将这两个“无限级数”相加:



这里有个π和e的因子,这是一个疯狂的结果。这两个无限级数,是如何将π和e联系在一起的?拉马努金在这种事情上是个天才,这个恒等式只是他发现的数千个恒等式中的一个,也是最美的一个恒等式。

1914年,拉马努金离开印度去英国的那一年,他挑战数学界,证明了他的恒等式是正确的。



这是印度数学学会杂志中的第541个问题。今天的任务就是,试图解开这两个无限级数是如何在数学天才的头脑中拼凑起来的。在这个过程中,我们会遇到一些数学中的伟大发现,比如Wallis公式:



高斯积分,



以及一个近乎疯狂的等式,



提醒一下,要想理解接下来的一切,你需要了解一些初级微积分的知识。

好的,开始吧。一个是无限和,一个是无限分数。让我们从无限和开始。你们可能会熟悉一个密切相关的无限和:



分母的乘积现在是连续的整数,而不仅仅是奇数。首先,让我们把这个和转换成一个关于变量x的幂级数,



计算这个幂级数的导数:



现在,首项是1。把这两个幂级数对齐:



上面是一个关于x的函数,我们称之为y(x),下面是它的导数y'(x),



不难发现:



这就是一个微分方程。要解它,我们需要找到一个函数,这个函数加1后,得到的是该函数的导数。有没有任何简单的函数可以满足这个微分方程?我相信你们已经猜到了。如果没有这个+1,那么要找的函数就是导数为自身的函数,这个函数就是指数函数:



指数函数并不是唯一一个等于其导数的函数。2乘以e的x次方也等于它的导数,3乘以e的x次方也是。实际上,具有这种特殊性质的函数正是形如常数乘以e的x次方的无穷多个函数。

现在,我们将1重新加入到微分方程中,



这可能会增加解微分方程的难度,但在这里它很简单。我们可以用c乘以e的x次方减去1来补偿这个+1,



这就是这个微分方程的所有解。但是,其中哪一个函数等于下面这个幂级数呢:



这很容易,只需插入x=0。那么右边就消失了,



所以我们看到y在0处等于0。把x=0带入通解中,



所以c等于1,那么



最后,插入x=1,就完成了,



现在让我们试着以完全相同的方式理解拉马努金的无限和,



将这个和扩展成一个幂级数,只用x的奇数次幂,



计算导数,



提出一个x,



像之前一样,我们将原幂级数命名为y(x),它的导数是y'。所以,



那么,这个微分方程的解是什么?和上一个微分方程一样,有无数的解,而y在x=0的值确定了哪个解等于无穷级数。那么0处的值是什么?是0,



最后的解是,



这看起来很吓人,但不用担心,求解过程不是重点,我们的任务是找出拉马努金的和。



我们只需要将x=1代入即可,



所以,右边的拉马努金和等于左边那个奇怪的积分表达式。我们可以计算出那个积分,值约为1.41。好像是2的平方根对吧?但实际上并不是。e的1/2次幂,就是根号e,



根号e就是拉马努金恒等式的一个成分。我们似乎在接近答案。但是这个积分呢?



这对许多人来说应该很熟悉,一个正态分布,钟形曲线。那么整个积分就是钟形曲线在0和1之间的面积,



我在前面提到过的超级著名的高斯积分。钟形曲线的总面积,从-∞到∞,正好等于2π的平方根,



从0到∞的积分应该等于一半,



即有,



那么,



别忘记,



接下来,把0到无穷的积分分为两个部分,



我们已经证明了,



所以,剩下的就是要证明,



这一点也不明显。让我们开启天才模式。 用x来处理问题对无穷和非常有效。所以,让我们将所有内容以自然的方式扩展到一个x恒等式,然后尝试构造那个无穷小数。拆分左侧的根式,



积分符号上的1是从x得到的,



根号e变为,



这是一个相当自然的做法。并且,最重要的是,这个新的恒等式对所有的x都是成立的,不仅仅是x=1。因为无论我们选择什么x,两个黄色的积分加起来总是等于左侧的π除以2的平方根,



剩下要做的,就是要证明,当x等于1时,有





为了解出y,我们得到这个差值,



要找出微分方程,我们需要y的导数,所以让我们在两边都取导数,



不难发现,y包含在了它的导数中,做个简单替换得到,



通常,这个微分方程有无穷多个解。现在,我们要怎么做,才能在这无穷多个解中找出我们需要的那个解?和前面一样吗,我们计算y在0的值,代入x = 0得到,



现在,让我来展示如何从这个新的微分方程得到无穷分数,



我们从新的微分方程开始,首先在两边求导,



然后一直重复



注意到右边的1,2,3了吗?接下来将有一些真正的数学魔法。将第一个方程除以y。对所有其他的方程也做同样的处理。



你能看出来了吗?





多么神奇呀!我们已经完成了证明。



实际上,我们的证明远远超过了拉马努金的发现。这是一个恒等式,适用于所有的x。将x替换为1,就得到了拉马努金的等式。但是,拉马努金本人也非常清楚这个恒等式的某个版本。但数学研究者应该知道,无穷大具有欺骗性,对于我们到目前为止所做的事情,要真正算作一个证明,还有一些事情需要检查。否则,很容易得到类似于自然数之和等于-1/12这种疯狂的结果。

不可能的等式

为了看到问题,我们必须回看一下我们是如何得到这个无穷分数的,



开始时,注意到y满足下面这个微分方程,



而且y在0处等于根号π除以2,



现在,我们找到了微分方程的一个解,以无穷分数的形式。然而,我们求解微分方程的过程,没有使用y在0处等于根号π除以2的事实。这提醒我们还有更多的事情需要完成,因为我们如何能确保我们找到的解就是在0处取值为根号π除以2的解呢?问题已经找出,但也很容易解决,我们只需要将x=0代入分数,然后希望能将结果表达式转化为根号π除以2,





我们如何看出这个非常奇特的无穷分数的值是根号π除以2呢?让我们将这个无限分数变得有限,比如在7之后截断,



一直运算下去,最终得到,



所有的偶数在上面,所有的奇数在下面。这让我们想起我在文章开头提到的另一个无穷积,



这非常重要,是著名的Wallis积。在Wallis积中,所有的整数出现两次,2乘以2,3乘以3,等等。但是,在我们新的无穷积中,每个整数只出现一次,所以,



这正是我们希望找到的结果。但还有一些更疯狂的事情。事实证明,新的无穷乘积并不等于根号π除以2。是的,如果你真的试图通过2除以1乘以4除以3乘以6除以5等等去求这个无穷表达式的值,你会发现这个无穷表达式发散,即趋向于无穷大。但是,为什么Wallis积量不会发散?正如你们所见,这非常类似于拉马努金著名的自然数之和等于-1/12,这个等式实际上并不像一般等式那样有意义,但是与此同时,它在某些情况下确实像等式那样揭示了1+2+3+……=-1/12之间的深层联系。



对于我们这里的无穷积也是同样的情况,



这些“不可能的等式”在我们的场景中真正起了作用,即无穷函数分数在适当处理的情况下真的是那个微分方程的正确解,而拉马努金的通用x等式真的是正确的。这太深奥、太疯狂了,我们在这里无法深入讲解,但这一切都合情合理。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
金融圈突发!吴世群,主动投案

金融圈突发!吴世群,主动投案

中国基金报
2026-11-12 22:37:02
男子花30万闪婚22天后新娘就跑了,案件一审宣判:女子犯诈骗罪获刑3年6个月,当庭表示上诉

男子花30万闪婚22天后新娘就跑了,案件一审宣判:女子犯诈骗罪获刑3年6个月,当庭表示上诉

极目新闻
2026-11-12 17:59:09
高,实在是高!曹云金何沄伟疑回应郭德纲拜马志明当“义父”,搭配东北风味歌曲《做人别忘本》

高,实在是高!曹云金何沄伟疑回应郭德纲拜马志明当“义父”,搭配东北风味歌曲《做人别忘本》

裕丰娱间说
2026-11-12 17:17:07
亲人病危,男子打顺风车从上海回江苏,距目的地20公里时被甩;投诉后司机发短信嘲讽“是没送到你家坟头吗”,平台:永久封禁

亲人病危,男子打顺风车从上海回江苏,距目的地20公里时被甩;投诉后司机发短信嘲讽“是没送到你家坟头吗”,平台:永久封禁

极目新闻
2026-11-12 08:15:18
重磅!曼联已解雇45岁卡里克+正式通知 转正仅5个月 带队8轮不胜

重磅!曼联已解雇45岁卡里克+正式通知 转正仅5个月 带队8轮不胜

我爱英超
2026-11-12 17:53:19
全球最大资产管理集团贝莱德:坐拥15.5万亿美元只有1%投向了中国市场!

全球最大资产管理集团贝莱德:坐拥15.5万亿美元只有1%投向了中国市场!

城事堂
2026-11-12 15:12:38
外媒称黄乐目前正在北京,外交部发言人公开表示:不了解你提到的有关情况,但是中方在美国输华芯片问题上的立场是一贯的

外媒称黄乐目前正在北京,外交部发言人公开表示:不了解你提到的有关情况,但是中方在美国输华芯片问题上的立场是一贯的

吉刻新闻
2026-11-12 21:24:28
西北工业大学购买了两颗英伟达H200芯片,外媒却急了,他们在担心什么?

西北工业大学购买了两颗英伟达H200芯片,外媒却急了,他们在担心什么?

DeepAuto车探
2026-11-12 17:38:24
俄首席谈判代表:俄方拒绝任何领土交换,俄军踏足之处皆属俄罗斯

俄首席谈判代表:俄方拒绝任何领土交换,俄军踏足之处皆属俄罗斯

碳基生物关怀组织
2026-11-12 16:07:33
1979年,中央下令抓捕许世友次子许建军!许世友闻讯罕见震怒强硬表态

1979年,中央下令抓捕许世友次子许建军!许世友闻讯罕见震怒强硬表态

磊子讲史
2026-11-11 14:13:19
网友爆料近六千元的耳机线“扒开是棉布”?汉声经销商回应

网友爆料近六千元的耳机线“扒开是棉布”?汉声经销商回应

北青网-北京青年报
2026-11-12 21:26:04
独家!黄乐老公已被抓,黄仁勋岌岌可危

独家!黄乐老公已被抓,黄仁勋岌岌可危

木蹊说
2026-11-12 18:29:38
黄仁勋还有反击筹码:3.58%持股达到英伟达董事提名门槛

黄仁勋还有反击筹码:3.58%持股达到英伟达董事提名门槛

爆角追踪
2026-11-12 13:42:49
"妲己"终入霍家门!43岁中国香港足总主席霍启山,将迎娶29岁女星

"妲己"终入霍家门!43岁中国香港足总主席霍启山,将迎娶29岁女星

秋姐居
2026-11-12 11:50:56
今早腾讯内网被挤崩,有人发帖“听完会后饭都吃不下了,好焦虑……”腾讯高管紧急回应:误会了

今早腾讯内网被挤崩,有人发帖“听完会后饭都吃不下了,好焦虑……”腾讯高管紧急回应:误会了

都市快报橙柿互动
2026-11-12 14:12:40
比亚迪"轮毂装反"上热搜,大众工厂:7道环节皆失守,难!

比亚迪"轮毂装反"上热搜,大众工厂:7道环节皆失守,难!

大厂财经社
2026-11-12 18:14:54
争议?卡里克下课4小时仍无曼联球员回应+送祝福!名记怒批:没担当

争议?卡里克下课4小时仍无曼联球员回应+送祝福!名记怒批:没担当

我爱英超
2026-11-12 23:01:35
伊朗总统佩泽希齐扬确认了:伊朗最高领袖穆杰塔巴·哈梅内伊已经作出明确指示,要求伊朗结束目前与美国不战不和的状态

伊朗总统佩泽希齐扬确认了:伊朗最高领袖穆杰塔巴·哈梅内伊已经作出明确指示,要求伊朗结束目前与美国不战不和的状态

吉刻新闻
2026-11-11 02:07:46
彻底乱了!疑似黄仁勋第 3 段外遇主动公开,第4、第5看来也不远了

彻底乱了!疑似黄仁勋第 3 段外遇主动公开,第4、第5看来也不远了

起点人文
2026-11-12 17:13:23
勾引马斯克挺难的,正如他前妻所言:14个孩子的母亲都被他称为“生育机器”

勾引马斯克挺难的,正如他前妻所言:14个孩子的母亲都被他称为“生育机器”

照见古今
2026-11-12 14:48:00
2026-11-13 04:52:49
老胡说科学 incentive-icons
老胡说科学
科学如此美妙,我想让你知道
1231文章数 33538关注度
往期回顾 全部

教育要闻

惠州最好的五所高中TOP5

头条要闻

小伙疑遭拘禁殴打20天瘦至60斤 被解救送回家次日死亡

头条要闻

小伙疑遭拘禁殴打20天瘦至60斤 被解救送回家次日死亡

体育要闻

库里已前往医院接受MRI 专家预测伤停2周

娱乐要闻

空军生日当天,央视公开“点名”肖战

财经要闻

黄仁勋,辞职

科技要闻

突发!黄仁勋辞职,英伟达CFO临时接任

汽车要闻

埃安Ray7上市限时11.47万元起 702km续航/L4同源智驾

态度原创

教育
数码
家居
健康
公开课

教育要闻

分数连加难题,数形结合法,看懂图就会做

数码要闻

米物推出Neoseek Pure 10新国标22.5W自带线磁吸移动电源:15W无线+ 2C设计,169元

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

情绪真能让健康人"伤心至死"?

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版