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《数学女孩》8.6 在教室中研究调和函数

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放学后的教室中,我向正沉默着准备回家的米尔嘉招呼了一声:“喂,米尔嘉,上一次,我因为自己在发呆,没有听清你说的话,嗯……真是对不起。关于昨天的 ζ(1) 的话题,我对于 ζ 函数不是很了解,能不能给我说说关于 ζ(1) 朝着正的无穷大发散的问题?”

“嗯……”米尔嘉似乎觉得这个也太难于口头表达了。

于是,米尔嘉拿起一支粉笔,开始在黑板上写起来。

“这个是 ζ 函数 ζ(s) 的定义。是黎曼的 ζ 函数。”

  (ζ 函数的定义式)

米尔嘉接着写数学公式。

ζ(s) 使用了无穷级数的形式来定义。这里,当 s = 1 的时候,就是调和级数了。也可以用 Harmonic Series 的首字母 H,写成 的形式。”她说。

  (调和级数的定义式)

“换句话说,ζ 函数中 s = 1 时的式子和调和级数 是等价的。”她说。

“噢,这样啊。那么,我和泰朵——我思考过的无穷级数 是和 ζ(1) 相同的吧。”我说。

村木老师给我和米尔嘉出的课题原来是相同的啊? H 原来就是 Harmonic 的首字母啊?

米尔嘉没有理会我的话,继续往下说:“下面的部分和 Hn 称为调和数。”

  (调和数的定义式)

“也就是说,n 趋向于无穷大的时候,调和数 Hn 也就趋向于调和级数 了。”米尔嘉说。

教室里回响着米尔嘉用粉笔写字的声音。

  (调和级数和调和数的关系)

“调和数 Hnn 趋向于无穷大时,朝正的无穷大发散。”

“换句话说,调和级数朝正的无穷大发散。”

“也就是说,ζ(1) 朝正的无穷大发散。”

“为什么说调和级数朝着正的无穷大发散呢?是因为……”说到这里,米尔嘉才斜眼看了我一下,这是她今天第一次看我,然后就咧开嘴笑了,和以往的米尔嘉一样。

不知道为什么,我觉得松了口气,说起了向泰朵拉展示过的证明过程。就是利用“假设 m 是大于等于 0 的正数,则 成立”这一点所做的证明。

“对对对。你所做的证明和 14 世纪奥里斯姆做证明时使用的方法相同哦。”米尔嘉说。

ζ 函数、调和级数、调和数

  (ζ 函数的定义式)

  (调和级数的定义式)

  (调和数的定义式)

写到这里,米尔嘉闭上眼睛,手指划起了字母 L 状,像是在指挥一样,接着又睁开了眼睛。

“嗨,你还记得我们曾在离散函数的世界里寻找指数函数吗?”她说。

“嗯,我记得啊。”好像是建立了差分方程式,然后求得解的。

“那么,你看看这个问题该怎么做吧。在离散函数的世界里寻找‘指数函数的反函数’——也就是寻找对数函数。”她说。

问题 8-3

请定义与连续函数世界里的对数函数 相对应的离散函数世界里的函数 L(x)。

“好了,那么我先回家了哦。你慢慢思考吧。”米尔嘉说。

米尔嘉擦了擦沾有粉笔灰的手指,就朝教室门口走去。走到门口又回头说:“我事先提醒你哦,你的弱点是不肯画图。仅仅反复玩弄公式并不是数学。”