Basel問題:Σ(1/n^2)


自然数の平方数の逆数の和
\[
\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2} = \frac{1}{1^2} + \frac{1}{2^2} + \frac{1}{3^2} + \cdots
\]
を Wallis 積分を利用して求める手順をまとめた.

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Basel 問題

無限級数

\[
\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2} = \frac{1}{1^2} + \frac{1}{2^2} + \frac{1}{3^2} + \cdots
\]

の値を求める問題を Basel 問題という.

 

Basel 問題の一般化の1つとして,Riemann zeta 関数
\[
\zeta (s) = \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^s} \qquad \text{( $s$ は複素数)}
\]
がある.$s$ が実数であれば $s > 1$ で収束することが知られている.Basel 問題は $s = 2$,すなわち $\zeta(2)$ の値を求める問題である.

準備 1:

$N = 0,1,2,\ldots,$ に対し,数列 $\{S_N\}$ を次で定める:
\[
S_N = \int_{0}^{\pi/2}x^2\cos^{2N}{x}\,dx
\]

 

また,$\{W_m\}~~(m = 0, 1, 2, \ldots)$ を Wallis 積分 とする:

\[
W_m = \int_{0}^{\pi/2} \sin^m{t}\,dt = \int_{0}^{\pi/2} \cos^m{t}\,dt
\]

 

補題 2:

$N = 1,2,\ldots$ に対して,次の等式が成り立つ:
\[
S_N = \frac{2N-1}{2N}S_{N-1}-\frac{1}{2N^2}W_{2N} \tag{$\diamondsuit$}
\]

 
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部分積分法を用いれば

$$
\begin{eqnarray*}
S_N & = & \int_{0}^{\pi/2}x^2\cos^{2N}{x}\,dx \\
& = & \int_{0}^{\pi/2} x^2(1-\sin^2{x})\cos^{2N-2}{x}\,dx \\
& = & \int_{0}^{\pi/2} x^2\cos^{2N-2}{x}\,dx-\int_{0}^{\pi/2} x^2\sin^2{x}\cos^{2N-2}{x}\,dx \\
& = & S_{N-1}-\int_{0}^{\pi/2} x^2\sin^2{x}\cos^{2N-2}{x}\,dx
\end{eqnarray*}
$$

である.右辺の第2項については,さらに部分積分法を適用して

$$
\begin{eqnarray*}
& & \int_{0}^{\pi/2} x^2\sin^2{x}\cos^{2N-2}{x}\,dx \\
& = & \int_{0}^{\pi/2}x^2\sin{x}\biggl(\frac{-1}{2N-1}\cos^{2N-1}{x}\biggr)’\,dx \\
& = & \biggl[\frac{-x}{2N-1}\sin{x}\cos^{2N-1}{x}\biggr]_{0}^{\pi/2} + \int_{0}^{\pi/2}(x^2\sin{x})’\cdot \frac{1}{2N-1}\cos^{2N-1}{x}\,dx \\
& = & 0 + \int_{0}^{\pi/2}(2x\sin{x} + x^2\cos{x})\cdot \frac{1}{2N-1}\cos^{2N-1}{x}\,dx \\
& = & \frac{2}{2N-1}\int_{0}^{\pi/2}x\sin{x}\cos^{2N-1}{x}\,dx + \frac{1}{2N-1}\int_{0}^{\pi/2} x^2\cos^{2N}{x}\,dx \\
& = & \frac{2}{2N-1}\int_{0}^{\pi/2}x\biggl(\frac{-1}{2N}\cos^{2N}{x}\biggr)’\,dx + \frac{1}{2N-1}S_N \\
& = & \frac{2}{2N-1}\biggl\{\biggl[-\frac{x}{2N}\cos^{2N}{x}\biggr]_{0}^{\pi/2}+\int_{0}^{\pi/2}\frac{1}{2N}\cos^{2N}{x}\,dx\biggr\} + \frac{1}{2N-1}S_N \\
& = & \frac{2}{2N-1}\left(0 + \frac{1}{2N}W_{2N}\right) + \frac{2}{2N-1}S_N \\
& = & \frac{2}{2N(2N-1)}W_{2N} + \frac{1}{2N-1}S_N
\end{eqnarray*}
$$

が成り立つから

$$
\begin{eqnarray*}
S_N & = & \int_{0}^{\pi/2}x^2\cos^{2N}{x}\,dx \\
& = & S_{N-1}-\int_{0}^{\pi/2} x^2\sin^2{x}\cos^{2N-2}{x}\,dx \\
& = & S_{N-1}-\frac{2}{2N(2N-1)}W_{2N}-\frac{1}{2N-1}S_N \\
\frac{2N}{2N-1}S_N & = & S_{N-1}-\frac{2}{2N(2N-1)}W_{2N} \\
S_N & = & \frac{2N-1}{2N}S_{N-1}-\frac{1}{2N^2}W_{2N}
\end{eqnarray*}
$$

を得る.

 

補題 3:

$N = 0,1,2,\ldots,$ に対して,次の等式が成り立つ:

\[
S_N = \frac{{}_{2N}{\rm C}_{N}}{4^N}\cdot \frac{\pi}{4}\left(\frac{\pi^2}{6}-\sum_{n=1}^{N}\frac{1}{n^2}\right) \tag{$\clubsuit$}
\]

 
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$\{S_N\}$ の定義より
\[
S_0 = \int_{0}^{\pi/2}x^2\,dx = \biggl[\frac{1}{3}x^3\biggr]_{0}^{\pi/2} = \frac{\pi^3}{24}
\]
である.また,等式 $(\diamondsuit)$ より,$N \geqq 2$ なる整数 $N$ に対して
\[
S_{N-1} = \frac{2N-3}{2N-2}S_{N-2}-\frac{1}{2(N-1)^2}W_{2N-2}
\]
が成り立つ.ゆえに,Wallis 積分に関する漸化式より得られる
\[
W_{2N} = \frac{2N-1}{2N}W_{2N-2}
\]
に注意すれば

$$
\begin{eqnarray*}
S_N & = & \frac{2N-1}{2N}S_{N-1}-\frac{1}{2N^2}W_{2N} \\
& = & \frac{2N-1}{2N}\left\{\frac{2N-3}{2N-2}S_{N-2}-\frac{1}{2(N-1)^2}W_{2N-2}\right\}-\frac{1}{2N-2}W_{2N} \\
& = & \frac{2N-1}{2N}\cdot\frac{2N-3}{2N-2}S_{N-2}-\frac{2N-1}{2N}\cdot\frac{1}{2(N-1)^2}W_{2N-2}-\frac{1}{2N-2}W_{2N} \\
& = & \frac{2N-1}{2N}\cdot\frac{2N-3}{2N-2}S_{N-2}-\frac{1}{2(N-1)^2}W_{2N}-\frac{1}{2N-2}W_{2N} \\
& = & \frac{2N-1}{2N}\cdot\frac{2N-3}{2N-2}S_{N-2}-\frac{1}{2}W_{2N}\left\{\frac{1}{(N-1)^2} + \frac{1}{N^2}\right\}
\end{eqnarray*}
$$

が成り立つ.これを繰り返し用いると,Wallis 積分 で示したWallis積分の組み合わせ記号を用いた表現
\[
W_{2N} = \frac{{}_{2N}{\rm C}{}_{N}}{4^N} \cdot \frac{\pi}{2}
\]
により

$$
\begin{eqnarray*}
S_N & = & \frac{2N-1}{2N}\cdot\frac{2N-3}{2N-2}S_{N-2}-\frac{1}{2}W_{2N}\left\{\frac{1}{(N-1)^2} + \frac{1}{N^2}\right\} \\
& = & \cdots \\
& = & \frac{2N-1}{2N}\cdot\frac{2N-3}{2N-2}\cdots\frac{3}{4}\cdot\frac{1}{2}S_{0}-\frac{1}{2}W_{2N}\left\{\frac{1}{1^2} + \frac{1}{2^2} + \cdots + \frac{1}{(N-1)^2} + \frac{1}{N^2}\right\} \\
& = & \frac{{}_{2N}{\rm C}_{N}}{4^N}S_0-\frac{1}{2}W_{2N}\sum_{n=1}^{N}\frac{1}{n^2} \\
& = & \frac{{}_{2N}{\rm C}_{N}}{4^N}\cdot\frac{\pi^3}{24}-\frac{1}{2} \cdot \frac{{}_{2N}{\rm C}_{N}}{4^N}\cdot \frac{\pi}{2}\sum_{n=1}^{N}\frac{1}{n^2} \\
& = & \frac{{}_{2N}{\rm C}_{N}}{4^N}\cdot \frac{\pi}{4}\left(\frac{\pi^2}{6}-\sum_{n=1}^{N}\frac{1}{n^2}\right)
\end{eqnarray*}
$$

 

補題 4:Jordanの不等式

$0 \leqq x \leqq \pi/2$ に対して,次の不等式が成り立つ:
\[
\frac{2}{\pi}x \leqq \sin{x} \tag{$\heartsuit$}
\]

 
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\[
f(x) = \sin{x}-\frac{2}{\pi}x
\]
とおくと
\[
f'(x) = \cos{x}-\frac{2}{\pi}
\]
である.ここで,$f'(x) = g(x)$ とおけば,$g(x)$ は $0 \leqq x \leqq \pi/2$ で連続かつ微分可能であって
\[
g(0) = 1-\frac{2}{\pi} > 0, \quad g\left(\frac{\pi}{2}\right) = -\frac{2}{\pi} < 0
\]
が成り立つから,中間値の定理より,$g(c) = 0$ かつ $0 < c < \pi/2$ を満たす実数 $c$ が存在する.すなわちこの $c$ は $f'(c) = 0$ を満たし,極値をとる候補となり得る.また
\[
f'{}'(c) = -\sin{c} < 0
\]
が成り立つから,$f(x)$ は $x=c$ で極大値をとる.したがって増減表は以下のとおり.

\[
\begin{array}{c||c|c|c|c|c} \hline
x&0&\cdots&c&\cdots&\pi/2 \\ \hline
y’& &+&0&-& \\ \hline
y&0&\nearrow& f(c) &\searrow & 0\\ \hline
\end{array}
\]

ゆえに $0 \leqq x \leqq \pi/2$ で
\[
\sin{x}-\frac{2}{\pi}x = f(x) \geqq 0
\]
であるから
\[
\sin{x} \geqq \frac{2}{\pi}x
\]
を得る.

 
補足(click)

図形的な意味から考えると判りやすい.

$y = \sin{x}$ のグラフと,2点 $(0,0)$,$(\pi/2,1)$ を通る直線を引けば,不等式はそれらの位置関係に対応する.

 

補題 5:

$N = 0,1,2,\ldots,$ に対して,次の不等式が成り立つ:
\[
0 \leqq S_N \leqq \frac{1}{2N+2}\cdot \frac{{}_{2N}{\rm C}_{N}}{4^N}\cdot \frac{\pi^3}{8} \tag{$\spadesuit$}
\]

 
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補題 4:Jordanの不等式 $(\heartsuit)$ より,$0 \leqq x \leqq \pi/2$ において
\[
0 \leqq x \leqq \frac{\pi}{2}\sin{x}
\]
が成り立つから
\[
0 \leqq x^2\cos^{2N}{x} \leqq \frac{\pi^2}{4}\sin^2{x}\cos^{2N}{x}
\]
である.したがって
$$
\begin{eqnarray*}
0 ~ \leqq ~ S_N & = & \int_{0}^{\pi/2}x^2\cos^{2N}{x}\,dx \\
& \leqq & \int_{0}^{\pi/2}\frac{\pi^2}{4}\sin^{2}{x}\cos^{2N}{x}\,dx \\
& = & \frac{\pi^2}{4}\int_{0}^{\pi/2}(\cos^{2N}{x}-\cos^{2N+2}{x})\,dx \\
& = & \frac{\pi^2}{4} (W_{2N}-W_{2N+2}) \\
& = & \frac{\pi^2}{4}\left(W_{2N}-\frac{2N+1}{2N+2}W_{2N} \right)\\
& = & \frac{\pi^2}{4}\cdot \frac{1}{2N+2}\cdot \frac{{}_{2N}{\rm C}_{N}}{4^N}\cdot \frac{\pi}{2} \\
& = & \frac{1}{2N+2}\cdot \frac{{}_{2N}{\rm C}_{N}}{4^N}\cdot \frac{\pi^3}{8}
\end{eqnarray*}
$$

を得る.

 

定理 6:Basel 問題

\[
\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2} = \frac{1}{1^2} + \frac{1}{2^2} + \frac{1}{3^2} + \cdots = \frac{\pi^2}{6}
\]

 
詳細(click)

不等式 $(\spadesuit)$ に 等式 $(\clubsuit)$ の結果を代入して変形すると
\[
0 \leqq S_N \leqq \frac{1}{2N+2}\cdot \frac{{}_{2N}{\rm C}_{N}}{4^N}\cdot \frac{\pi^3}{8}
\]
\[
0 \leqq \frac{{}_{2N}{\rm C}_{N}}{4^N}\cdot \frac{\pi}{4}\left(\frac{\pi^2}{6}-\sum_{n=1}^{N}\frac{1}{n^2}\right) \leqq \frac{1}{2N+2}\cdot \frac{{}_{2N}{\rm C}_{N}}{4^N}\cdot \frac{\pi^3}{8}
\]
\[
0 \leqq \frac{\pi^2}{6}-\sum_{n=1}^{N}\frac{1}{n^2} \leqq \frac{1}{2N+2} \cdot \frac{\pi^2}{2}
\]
\[
– \frac{\pi^2}{6} \leqq -\sum_{n=1}^{N}\frac{1}{n^2} \leqq \frac{1}{2N+2} \cdot \frac{\pi^2}{2}-\frac{\pi^2}{6}
\]
\[
\frac{\pi^2}{6} + \frac{1}{2N+2} \cdot \frac{\pi^2}{2} \leqq \sum_{n=1}^{N}\frac{1}{n^2} \leqq \frac{\pi^2}{6}
\]

を得る.ここで
\[
\lim_{N \to \infty}\left(\frac{\pi^2}{6} + \frac{1}{2N+2}\right) = \frac{\pi^2}{6}
\]
であるから,はさみうちの原理より
\[
\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}
\]
を得る.

 

関連する級数の値

 系 7:

正の奇数の平方数の逆数すべての和 は 正の偶数の平方数の逆数すべての和 の3倍である.
 
証明(click)

\[
\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2} = \frac{1}{1^2} + \frac{1}{2^2} + \frac{1}{3^2} + \cdots
\]
を奇数と偶数に分けると
\[
\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2} = \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(2n-1)^2} + \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(2n)^2} = \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(2n-1)^2} + \frac{1}{4}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}
\]
より
\[
\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(2n-1)^2} = \frac{3}{4}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2} = \frac{3}{4}\cdot\frac{\pi^2}{6} = \frac{\pi^2}{8}
\]
である.また
\[
\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(2n)^2} = \frac{1}{4}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2} = \frac{1}{4}\cdot\frac{\pi^2}{6} = \frac{\pi^2}{24}
\]
であるから,題意は示された.

 

 系 8:

\[
\sum_{n=1}^{\infty}\frac{16n^2-16n + 5}{(4n-1)^2(4n-3)^2} = \frac{\pi^2}{16}
\]

 
証明(click)

\[
\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2} = \frac{1}{1^2} + \frac{1}{2^2} + \frac{1}{3^2} + \cdots
\]

を,$4$で割った余りによって4つの級数に分ける:

$$
\begin{eqnarray*}
\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}
&=& \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(4n-1)^2} + \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(4n-2)^2} + \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(4n-3)^2} + \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(4n)^2} \\
&=& \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(4n-1)^2} + \frac{1}{4}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(2n-1)^2} + \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(4n-3)^2} + \frac{1}{16}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}
\end{eqnarray*}
$$

ここで,Corollary 1の計算中に現れた結果
\[
\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(2n-1)^2} = \frac{\pi^2}{8}
\]
に注意すれば
\[
\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(4n-1)^2} + \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(4n-3)^2} = \left(\frac{1}{6}-\frac{1}{16 \cdot 6}-\frac{1}{32}\right)\pi^2 = \frac{\pi^2}{8}
\]
である.左辺を整理すると
\[
\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(4n-1)^2} + \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(4n-3)^2} = 2\sum_{n=1}^{\infty}\frac{16n^2-16n + 5}{(4n-1)^2(4n-3)^2}
\]
であるから
\[
\sum_{n=1}^{\infty}\frac{16n^2-16n + 5}{(4n-1)^2(4n-3)^2} = \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi^2}{8} = \frac{\pi^2}{16}
\]
を得る.

 

関連事項:他の解法

2020 年の慶応大学医学部の入試問題で出題された方法は以下のノートにまとめた:

この方法は J. Hofbauer (2000) を京都大学の大浦氏が改良したものだと思われる.

 

20190526 更新
20200202 誤字修正
20200314 追記


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