вторник, 14 июля 2015 г.

Сумма всех натуральных чисел

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.

4 комментария:

  1. Это серьёзно не шутка? Как же быть с тем, что сумма положительных чисел может быть только положительной, а сумма целых только целой?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Нет-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!")

      Удалить
  2. Анонимный10/8/15 15:50

    Этот результат был получен до Рамануджана, Эйлером.

    Чтобы 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.

    ОтветитьУдалить