博尔维恩积分

作者: 蒋迅

来源: 遇见数学

发布日期: 2021-06-20 11:35:27

博尔维恩积分是一组神奇的积分等式,由博尔维恩父子提出,涉及复杂的数学概念和意外的结果,展示了数学推演的危险性。

学过微积分的读者都知道,求导数有一定之规,但求积分则可能会出现各种神奇的结果。今天介绍博尔维恩积分。这是一组积分等式:看到这里,读者可能会将这个形式推广下去。但令人意外的是,这个系列到此中断。

我们得到它的精确值是一个很奇怪的数:这个意外的结果是博尔维恩父子:大卫·博尔维恩(David Borwein,1924–)和乔纳森·博尔维恩(Jonathan Borwein,1951–2016)在2001年提出来的。大卫·博尔维恩的另一个儿子彼得(Peter B. Borwein,1953-2020)也是一位数学家,可以称为一个数学之家了。比较嘘唏的是两个儿子都先老父而去。

小博尔维恩在数学软件上“验证”了他们的结果后,跟的开发人员开了一个玩笑 — 他说出了一个“bug”。可怜的计算机代数专家花了三天时间去找bug,终于意识到这只是一个玩笑。产生这个结果的原因可以用卷积和傅立叶变换来解释。我们不深入讨论。一般地,考虑如下的积分:其中,a_1, a_2, a_3, ..., 是实数。那么上式中I的值可以用这些参数来表达。这个表达式的一般描述有点复杂。

我们只考虑一个特殊情况。假定我们有n,也就是说,n是第一个使得I超过k的那个指标。那么有a_1, a_2, a_3, ..., 及博尔维恩积分就是这个结果当n时的特例。读者可以自行验证。

还有一个类似的例子更为离奇:这个系列可以推广到:但只是对n成立。在此之后的n都不成立。这个结果是澳大利亚科普作家和趣味数学家格雷格·伊根(Greg Egan, 1961−)给出的。

见约翰·拜艾兹(John C. Baez, 1961−)的博客。这个例子说明了盲目的推演是危险的。这样的例子还有拉马努金计算的某个数,这个数几乎就是一个整数,距离整数只有极小的误差。再比如,等式几乎成立,误差到了小数点后若干位。这个结果是博尔维恩兄弟俩的结果。

上面的积分都只涉及正弦函数。下面的例子多了因子,结果也会在某一步不再成立:如此整齐的公式却在某一行突然出现奇怪的数字,强迫症直呼受不了。

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