Bazel-probleem

Het zogenaamde Bazel-probleem is een beroemd probleem uit de getaltheorie, een deelgebied van de wiskunde. Het Bazel-probleem werd voor het eerst in 1644 aan de orde gesteld door Pietro Mengoli en werd bijna honderd jaar later, in 1735, opgelost door Leonhard Euler. Het probleem is naar de stad Bazel genoemd, de thuisstad van zowel Euler als de familie Bernoulli. Diverse Bernoulli's waren er eerder niet geslaagd om dit probleem op te lossen. Gezien het feit dat het probleem, drie generaties lang, ook voor de vooraanstaande wiskundigen niet kon worden opgelost, bracht zijn bewijs Euler, op zijn achtentwintigste, ogenblikkelijke roem. Door gebruik te maken van reeksontwikkelingen gaf Euler een oplossing, waarmee meer kan worden bewezen dan alleen het Bazel-probleem. Zijn ideeën werden meer dan honderd jaar later, in 1859, door Bernhard Riemann opgepakt en verder uitgewerkt in diens vruchtdragende artikel Über die Anzahl der Primzahlen unter einer gegebenen Größe (Over het aantal priemgetallen kleiner dan een gegeven getal), waarin Riemann de Riemann-zèta-functie definieerde en tevens de basale eigenschappen van deze zèta-functie bewees.

Het Bazel-probleem vraagt naar de sommatie van de multiplicatieve inversen van de kwadraten van de natuurlijke getallen, dat wil zeggen de (exacte) som van de reeks:

$\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{2}}}=\lim _{n\to \infty }\left({\frac {1}{1^{2}}}+{\frac {1}{2^{2}}}+\ldots +{\frac {1}{n^{2}}}\right).$

Deze reeks is bij benadering gelijk aan 1,644 934. Het Bazel-probleem vraagt echter zowel naar de exacte som van deze rij, alsook naar het bewijs dat deze som correct is. Euler slaagde erin te bewijzen dat:

$\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{2}}}={\frac {\pi ^{2}}{6}}$

en maakte deze ontdekking in 1735 bekend. Zijn argumenten waren echter gebaseerd op manipulaties die ook in zijn tijd niet waren toegestaan. In 1741 gaf hij alsnog een wiskundig sluitend bewijs.

Eulers bewijs

De reeksontwikkeling van de sinus is:

$\sin(x)=x-{\frac {x^{3}}{3!}}+{\frac {x^{5}}{5!}}-{\frac {x^{7}}{7!}}+\cdots .$

Door te delen door $x$ krijgt men

${\frac {\sin(x)}{x}}=1-{\frac {x^{2}}{3!}}+{\frac {x^{4}}{5!}}-{\frac {x^{6}}{7!}}+\cdots \,.$

Nu zijn de nulpunten van deze functie precies de gehele veelvouden van $\pi$, dus de punten $x=n\cdot \pi$ voor $n\in \mathbb {Z} .$

Door de reeks uit te drukken als het product van lineaire factoren die worden bepaald door de wortels, net zoals voor eindige polynomen, ontstaat:

${\begin{aligned}{\frac {\sin(x)}{x}}&{}=\left(1-{\frac {x}{\pi }}\right)\left(1+{\frac {x}{\pi }}\right)\left(1-{\frac {x}{2\pi }}\right)\left(1+{\frac {x}{2\pi }}\right)\left(1-{\frac {x}{3\pi }}\right)\left(1+{\frac {x}{3\pi }}\right)\cdots \\&{}=\left(1-{\frac {x^{2}}{\pi ^{2}}}\right)\left(1-{\frac {x^{2}}{4\pi ^{2}}}\right)\left(1-{\frac {x^{2}}{9\pi ^{2}}}\right)\ldots \end{aligned}}$

Formeel uitvermenigvuldigen van dit product geeft voor de coëfficiënt van $x^{2}$:

$-\left({\frac {1}{\pi ^{2}}}+{\frac {1}{4\pi ^{2}}}+{\frac {1}{9\pi ^{2}}}+\cdots \right)=-{\frac {1}{\pi ^{2}}}\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{2}}}.$

In de oorspronkelijke ontwikkeling van $\sin(x)/x$ is de coëfficiënt van $x^{2}$ gelijk is aan −1/(3!) = −1/6. Uit het gelijkstellen van deze twee coëfficiënten volgt:

$-{\frac {1}{6}}=-{\frac {1}{\pi ^{2}}}\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{2}}},$

of ook:

$\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{2}}}={\frac {\pi ^{2}}{6}}.$

Verband met de Riemann-zèta-functie

De Riemann-zèta-functie $\zeta (s)$ is een belangrijke functie in de wiskunde, vanwege haar relatie met de verdeling van de priemgetallen. De functie wordt voor elk complex getal s met reëel deel > 1 gedefinieerd als:

$\zeta (s)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{s}}}.$

Voor $s=2$ is dus:

$\zeta (2)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{2}}}={\frac {1}{1^{2}}}+{\frac {1}{2^{2}}}+{\frac {1}{3^{2}}}+{\frac {1}{4^{2}}}+\cdots ={\frac {\pi ^{2}}{6}}\approx 1.644934.$

Dat de reeks convergent is, kan worden bewezen met de onderstaande ongelijkheid:

$\sum _{n=1}^{N}{\frac {1}{n^{2}}}<1+\sum _{n=2}^{N}{\frac {1}{n(n-1)}}=1+\sum _{n=2}^{N}\left({\frac {1}{n-1}}-{\frac {1}{n}}\right)=1+1-{\frac {1}{N}}\;{\stackrel {N\to \infty }{\longrightarrow }}\;2.$

Dit geeft een bovengrens: $\zeta (2)<2$, en omdat de reeks alleen positieve termen heeft, moet deze wel convergeren. Het kan worden aangetoond dat $\zeta (s)$ een mooie uitdrukking in termen van de Bernoulligetallen heeft, wanneer s een positief even geheel getal is. Met $s=2n$:

$\zeta (2n)={\frac {(2\pi )^{2n}(-1)^{n+1}B_{2n}}{2\cdot (2n)!}}$

Daaruit volgt ook:

$\zeta (2)=\pi ^{2}B_{2}={\frac {\pi ^{2}}{6}}$

Een strikt bewijs

Het onderstaande elementaire bewijs is welbekend en verreweg het eenvoudigste bewijs. Terwijl veel bewijzen het resultaat zijn van geavanceerde wiskunde, zoals de Fourieranalyse, de complexe analyse en de multivariabele analyse vereist dit bewijs zelfs geen analyse in één variabele, al wordt wel aan het eind van het bewijs een enkele limiet genomen.

Geschiedenis van het bewijs

Het bewijs gaat terug op Augustin Louis Cauchy (Cours d'Analyse, 1821, Voetnoot VIII). In 1954 verscheen dit bewijs in het boek van Akiva- en Isaak Yaglom "Nonelementary Problemen in een Elementary Exposition". Later, in 1982, kwam dit bewijs voor in het tijdschrift Eureka, waar het bewijs werd toegeschreven aan John Scholes, maar Scholes beweert dat hij het bewijs leerde van Peter Swinnerton-Dyer, en dat het bewijs hoe dan ook deel uitmaakte van de "gemeenschappelijke kennis in het Cambridge van de late jaren 1960".

De hoofdgedachte achter het bewijs is het opsluiten van de partiële sommen

$\sum _{n=1}^{m}{\frac {1}{n^{2}}}={\frac {1}{1^{2}}}+{\frac {1}{2^{2}}}+\ldots +{\frac {1}{m^{2}}}$

tussen twee uitdrukkingen die elk in de limiet naar $\pi ^{2}/6$ gaan.

Zij $x$ een reëel getal met $0<x<{\tfrac {\pi }{2}}$, en $n$ een oneven natuurlijk getal. Volgens de stelling van De Moivre geldt:

${\frac {\cos(nx)+i\sin(nx)}{(\sin x)^{n}}}={\frac {(\cos x+i\sin x)^{n}}{(\sin x)^{n}}}=\left({\frac {\cos x+i\sin x}{\sin x}}\right)^{n}=(\cot x+i)^{n}.$

Met het binomium van Newton volgt:

$(\cot x+i)^{n}={n \choose 0}\cot ^{n}x+{n \choose 1}(\cot ^{n-1}x)i+\ldots +{n \choose {n-1}}(\cot x)i^{n-1}+{n \choose n}i^{n}=$

$=\left({n \choose 0}\cot ^{n}x-{n \choose 2}\cot ^{n-2}x\pm \ldots \right)+i\left({n \choose 1}\cot ^{n-1}x-{n \choose 3}\cot ^{n-3}x\pm \ldots \right).$

Vergelijken van de imaginaire delen van beide uitdrukkingen geeft:

${\frac {\sin(nx)}{(\sin x)^{n}}}={n \choose 1}\cot ^{n-1}x-{n \choose 3}\cot ^{n-3}x\pm \ldots$

Neem $n=2m+1$ en $x_{r}={\frac {r\pi }{2m+1}}$ voor $r=1,2,\ldots ,m$. Dan is $nx_{r}$ een veelvoud van $\pi$ en dus een nulpunt van de sinus, zodat voor iedere $r=1,2,\ldots ,m$:

$0={{2m+1} \choose 1}\cot ^{2m}x_{r}-{{2m+1} \choose 3}\cot ^{2m-2}x_{r}\pm \ldots +(-1)^{m}{{2m+1} \choose {2m+1}}$

De getallen $x_{1},\ldots ,x_{m}$ zijn verschillend van elkaar en liggen in het interval $(0,\pi /2)$. Aangezien de functie $\cot ^{2}x$ injectief is op dit interval, zijn ook de getallen $t_{r}=\cot ^{2}x_{r}$ voor $r=1,2,\ldots ,m$ van elkaar verschillend en dus de wortels van de $m$-de-graadspolynomoom:

$p(t)={{2m+1} \choose 1}t^{m}-{{2m+1} \choose 3}t^{m-1}\pm \ldots +(-1)^{m}{{2m+1} \choose {2m+1}}.$

Met een van de formules van Viète kan de som van de wortels direct bepaald worden uit de eerste twee coëfficiënten van de polynoom:

$\cot ^{2}x_{1}+\cot ^{2}x_{2}+\ldots +\cot ^{2}x_{m}={\frac {\binom {2m+1}{3}}{\binom {2m+1}{1}}}={\frac {2m(2m-1)}{6}}$

en met de substitutie $\csc ^{2}x=\cot ^{2}x+1$ volgt ook:

$\csc ^{2}x_{1}+\csc ^{2}x_{2}+\ldots +\csc ^{2}x_{m}={\frac {2m(2m-1)}{6}}+m={\frac {2m(2m+2)}{6}}.$

Nu geldt op het interval $(0,\pi /2)$:

$\cot ^{2}x<{\frac {1}{x^{2}}}<\csc ^{2}x\,,$

zodat:

${\frac {2m(2m-1)}{6}}<\left({\frac {2m+1}{\pi }}\right)^{2}+\left({\frac {2m+1}{2\pi }}\right)^{2}+\cdots +\left({\frac {2m+1}{m\pi }}\right)^{2}<{\frac {2m(2m+2)}{6}}.$

of na vermenigvuldiging met $(\pi /(2m+1))^{2}$:

${\frac {\pi ^{2}}{6}}\left({\frac {2m}{2m+1}}\right)\left({\frac {2m-1}{2m+1}}\right)<{\frac {1}{1^{2}}}+{\frac {1}{2^{2}}}+\ldots +{\frac {1}{m^{2}}}<{\frac {\pi ^{2}}{6}}\left({\frac {2m}{2m+1}}\right)\left({\frac {2m+2}{2m+1}}\right).$

Met toenemende $m$ naderen zowel de onder- als de bovengrens naar $\pi ^{2}/6$, zodat volgen de insluitstelling

$\zeta (2)=\sum _{k=1}^{\infty }{\frac {1}{k^{2}}}=\lim _{m\to \infty }\left({\frac {1}{1^{2}}}+{\frac {1}{2^{2}}}+\cdots +{\frac {1}{m^{2}}}\right)={\frac {\pi ^{2}}{6}}.$

Externe links

• (en) Euler's solution of the Basel problem -- the longer story (Eulers oplossing van het Bazel-probleem - het lange verhaal) PDF (61.7 KiB)
• (en) How Euler did it (Hoe Euler het deed) PDF (265 KiB)
• (en) The infinite series of Euler and the Bernoulli's spice up a calculus class (De oneindige reeksen van Euler en Bernouilli's verlevendigen een collegereeks analyse) PDF (106 KiB)
• (en) Fourteen proofs of the evaluation of ζ(2) (Veertien bewijzen van de evaluatie van ζ(2)), verzameld door Robin Chapman

Bronnen, noten en/of referenties