Для числа 12 на математических часах я выбрал одну их наиболее парадоксальных формул, согласно которой сумма всего бесконечного множества натуральных чисел равна конкретному (!) дробному (!) отрицательному (!) числу.
А именно, $\sum\limits_{n=1}^{\infty}n = -\frac{1}{12}$
Чтобы разобраться, как такое может быть, начнём с ряда 1-1+1-1+1-1+1-1+......
Так как его сумма не стремится к какой-либо определённой величине, а принимает поочерёдно два различных значения: 1 или 0, он считается расходящимся.
Однако можно расширить понятие суммирования рядов и на расходящиеся, для начала приняв:
S = 1-1+1-1+1-1+1-1+...
Тогда этот же ряд можно записать как:
1-(1-1+1-1+1-1+1-1+... = 1-S
Имеем уравнение:
S = 1-S
S = 0,5
Теперь возьмём этот ряд и возведём его в квадрат. При умножении рядов (a1+a2+a3+a4+...) на (b1+b2+b3+b4+...) получается ряд
(a1b1)+(a1b2+a2b1)+(a1b3+a2b2+a3b1)+(a1b4+a2b3+a3b2+a4b1), в котором в один член группируются произведения тех елементов рядов-множителей, для которых сумма индексов постоянна.
Получается, что (1-1+1-1+1-1+1-1+...)*(1-1+1-1+1-1+1-1+...) = 1+(1*(-1)+(-1)*1)+(1*1+(-1)*(-1)+1*1)+(1*(-1)+(-1)*1+1*(-1)+(-1)*1)+... = 1-2+3-4+5-6+7-...
Таки образом, сумма натурального знакопеременного ряда 1-2+3-4+5-6+7-... равна 0,52 = 0,25
Теперь сделаем ещё один шаг. Какой ряд надо прибавить к натуральному знакопеременному ряду, чтобы получить натуральный?
1-2+3-4+5-6+7-8+...
+
0+4+0+8+0+12+0+16+...
__________________
1+2+3+4+5+6+7+8+...
Но прибавляемый ряд равен учетверённому натуральному ряду:
0+4+0+8+0+12+0+16+... = 4(1+2+3+4+...)
Значит, 1-2+3-4+5-6+7-8+... = 1+2+3+4+... -4(1+2+3+4+...)= -3(1+2+3+4+...)
-3(1+2+3+4+...)=0,25
Откуда
$1+2+3+4+5+6+7+8+\dots=-\frac{1}{12}$
Впервые этот результат был получен Рамануджаном. И это не результат софизма и не пустое развлечение. Как оказалось, величина $-\frac{1}{12}$ для суммы всех натуральных чисел сейчас находит применение в квантовой механике.
Это серьёзно не шутка? Как же быть с тем, что сумма положительных чисел может быть только положительной, а сумма целых только целой?
ОтветитьУдалитьНет-нет, серьёзно. Как именно применяется в теории струн этот результат я не углублялся, но в математике существует развитая теория суммирования расходящихся рядов (прямо по К.Х.Хунте: "Что толку решать задачу, когда решение есть? Вот если решения нет - тогда стоит думать, как её решать!")
УдалитьЭтот результат был получен до Рамануджана, Эйлером.
ОтветитьУдалитьЧтобы не путаться, лучше не называть это суммой, а, например "суммой во обобщенном смысле" (иногда называют суммой Рамануджана). Такая сумма в обобщенном смысле, это сопоставление бесконечному расходящемуся (в обычном смысле) ряду, конечного числа, которое (сопоставление), в некоторых задачах (как, например, уже было сказано, в физике) имеет определенный смысл, ибо манипулировать с бесконечностями в физике трудно.
Спасибо за хорошее пояснение!
Удалить