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证明: $\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{1}{n^2}=\frac{\pi^2}{6}$.

Posted by haifeng on 2011-05-04 22:20:52 last update 2013-06-22 08:22:06 | Answers (1) | 收藏


$\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{1}{n^2}$ 作为 $p$-级数, 此时 $p=2$ 当然收敛. 或者根据Cauchy 准则也可以证明其收敛.

事实上 当 $n>1$ 时,

\[
\frac{1}{n^2}<\frac{1}{n(n-1)}=\frac{1}{n-1}-\frac{1}{n},
\]

于是

\[
0<\sum_{k=n+1}^{n+p}\frac{1}{k^2}<\sum_{k=n+1}^{n+p}\Bigl(\frac{1}{k-1}-\frac{1}{k}\Bigr)=\frac{1}{n}-\frac{1}{n+p}<\frac{1}{n}\rightarrow 0,\quad(n\rightarrow\infty)
\]

根据 Cauchy 准则, 原级数收敛. (事实上其和为 $\frac{\pi^2}{6}$)


具体证明参见 slide: $\zeta(2)$ 探讨

 


 

可以证明更一般的情形

\[
\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{1}{(n+a)^2}=\lim_{b\rightarrow a}\int_0^1\frac{t^b-t^a}{b-a}\cdot\frac{-1}{1-t}dt
\]

从而令 $a=0$ 得所要证的结论.


另外, 有

\[\frac{\pi^2}{12}=\sum_{n=1}^{+\infty}(-1)^{n-1}\frac{1}{n^2}.\]

问题740.


References

梅加强, 数学分析, 高等教育出版社, 2011