arctan求导法则 arctan求导( 二 )


这个结果中的圆 , 源于与上面的复指数相乘时的半圆旋转 。
巴赛尔问题
让欧拉名声大噪的一个发现是下面这个令人惊讶的结果:

arctan求导法则  arctan求导

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左边的无穷级数是所有整数平方倒数的“和” 。首先 , 欧拉回顾了正弦函数的麦克劳林级数展开式 。正弦函数可以写成幂级数 。
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然后除以x得到:
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欧拉认为上面的左边可以看成是一个无限多项式 , 我们都知道多项式可以被分解成线性因子的乘积形式
arctan求导法则  arctan求导

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其中c是一个数字 , 上面分母中的r是多项式的根(也称为零点) 。任何多项式都可以写成这样的事实叫做代数基本定理 , 这是一个非常重要的定理 。
欧拉认为这个定理也适用于一些“无限”多项式 , 如上面的幂级数 。由于上述幂级数的常数项为1 , 显然c = 1 。我们现在有
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欧拉问自己这个函数的零点是什么 。它们是正弦函数的零点 , 因此是π的整数倍 。所以:
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第二个等式来自于将相邻项相乘 。现在需要另一个绝妙的想法 。欧拉意识到隐藏在上面的二次项分母中的平方数 , 并想把它们从乘积中“解放出来” 。这听起来很可怕 , 但是我们只需要得到幂级数的前两项 。
显然 , 常数项是1 。第二项呢?对于相应的无穷幂级数中的每个系数 , 我们只需要选择一个非常数项然后从乘积中的其他项中选择所有的1 。然后 , 我们得到
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欧拉把它和泰勒级数表达式做了比较 。也就是说:
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欧拉得出 , 右边的两个级数必须相等 , 也就是:
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或:
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再一次 , 我们可以解释π是如何从正弦函数的零点来的 , 然而 , 如果真的想从几何上理解这个问题 , 这并不是很令人满意 。
高斯积分
在统计学、数论和许多其他数学领域中 , 一个非常重要的积分结果是:
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这真的很神奇 。下面这个钟形曲线下的面积是π的平方根 。
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有很多不同的 *** 来证明这一点 。我最喜欢也是更优雅的 *** 是把笛卡尔坐标系换成极坐标 。具体来说 , 令
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现在我们计算I^2 , 并将其转换为极坐标:
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在上面的计算中 , 我们对最后一个积分做了替换:r^2= u => r dr = du/2 。现在 , 因为我们知道I一定是一个正数 , 得到
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那么这个圆在哪呢?当我们计算I^2时 , 我们实际上计算了一个(三维)体积 , 也就是在一个具有旋转对称的二维表面下的体积 。
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得到的二重积分把无限多的圆面积“加起来” 。把所有这些面积相加 , 得到的表达式不仅包含π , 而且实际上等于π 。
结论
看来 , 当π出现在一个公式中 , 我们可以通过某种隐藏在公式中的旋转关系来解释它 。即使我们不能一眼看到它 , 但它肯定就在那里 。
关于π的讨论还可以有很多 , 例如为什么用几何 *** 解释这类问题这么难 , 而用代数和微积分就(相对)容易了呢?

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