바젤 문제
항 n21을 3차원 막대로 쌓고 부분합의 계단이 6π2 평면에 닿지 못한 채 다가가는 모습을 확인합니다. π가 왜 등장하는지는 아이디어 수준에서만 짚습니다.
n=1∑∞n21=6π2
예제
꼬리합 RN=∑n>Nn21에 대해 RN<N1을 증명하세요.
RN<n>N∑(n−11−n1)=N1
N=20: 실제 꼬리 ≈0.0488<1/20=0.05.
증명 보기
- n≥2에서 n21<n(n−1)1=n−11−n1입니다.
- 유한합은 망원합입니다: ∑n=N+1M(n−11−n1)=N1−M1<N1. M→∞로 보내면 RN≤N1이고, 부등식이 엄격하므로 RN<N1입니다.
- 예를 들어 N=20이면 꼬리가 0.05 미만 — 부분합 S20은 이미 극한의 0.05 이내에 있습니다.
∑n=1∞(2n)21=24π2임을 바젤 문제의 결과로부터 유도하세요.
n=1∑∞(2n)21=41n=1∑∞n21=24π2
짝수 항만 모아도 같은 모양으로 수렴합니다.
증명 보기
- (2n)21=41⋅n21입니다.
- 양항급수이므로 상수를 밖으로 꺼낼 수 있어, ∑n=1∞(2n)21=41∑n=1∞n21=41⋅6π2=24π2입니다.
홀수 항의 합 ∑k=0∞(2k+1)21=8π2을 유도하세요.
odd∑n21=6π2−24π2=8π2
전체에서 짝수 항을 빼면 홀수 항만 남습니다.
증명 보기
- 양항급수는 (짝수 항의 합) + (홀수 항의 합)으로 나눌 수 있습니다.
- 따라서 홀수 항의 합 =6π2−24π2=244π2−π2=243π2=8π2입니다.
6. 급수