对于全体正整数的和,大家也许看过下面这个等式,即

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(1)

这怎么可能呢?等式左边都是正数,越加越大,怎么最终会得到一个负数呢?

如果我们记前n和正整数的和为

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(2)

那么显然

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(3)

无论无何,全体正整数的和都不可能是-1/12。

我可以肯定地说,所谓的“全体正整数的和为-1/12”,就只是一个噱头。

正如这篇文章的标题一样.


上面的式子是怎么来的呢?

最本质的原因,是解析延拓

解析延拓是复变函数中的概念,简单地说,就是扩充一个函数的定义域,使之能够在更大的区间上有意义。

这个扩充当然是有条件的扩充,要不然搞个分段函数随便扩充就没什么意义了。

先举个最简单的例子:对于函数

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(4)

在的任意值处都等于1,而在处因为分母为零无意义。

我们可以定义一个新的函数

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(5)

这样实际得到一个恒等于1的常函数。

与f(z)相比,常函数的定义域更大了,而且在的定义域上,两个函数相等。

这就是解析延拓:将函数f(z)进行了解析延拓,使之在更大的范围内有了定义。

再看一个稍微复杂的例子,对于无穷级数

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(6)

容易知道,g(z)的收敛域是,在这个范围之外,g(z)发散,无定义。

接下来我们对g(z)进行解析延拓。

根据级数求和有关知识,我们知道,当时

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(7)

而右边这个函数的定义域是,不仅包含了g(z)的定义域,还比g(z)的定义域大得多。记

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(8)

那么函数就是对g(z)进行解析延拓后的函数。

在数学上可以证明,函数的解析延拓如果存在,那么是唯一的

既然是唯一的,那么可以把这延拓前后的两个函数看作是同一个函数

对于解析延拓,我想了一个通俗的解释:

不妨把函数取个名,叫”张三“,原来定义域小的函数就是刚出生的宝宝张三,解析延拓后的函数就是长大后学了高数的张三。婴儿张三只知道吃,而大学生张三不仅会吃,还会唱歌跳舞,多才多艺。

但张三,始终还是张三。

函数张三,也就是g(z),在上的取值,形成了张三那独一无二的”胎记”。现在我们看到另一个李四函数,,在上的取值与张三完全一样,也就是说他俩具有完全一样的“胎记”。我们有理由认为,李四,就是长大后的张三

张三和李四是同一个人。

如果我们问张三宝宝,z=2时的取值是多少啊?

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(9)

张三宝宝不知道。

那问长大后的张三呢?他会飞快地告诉你

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(10)

那么我们带着这个答案,回过头跟婴儿张三说,z=2时你的取值是-1。

宝宝张三顿时懵了,啥?什么玩意儿?

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(11)

怎么会是-1呢?

我们神秘一笑:等你长大了,你就知道了。


现在回到原来的问题:

全体正整数的和是-1/12,这句话是怎么来的呢?

想必你已经猜到,这是解析延拓后的结果。

我们首先定义一个函数

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(12)

这就是大名鼎鼎的Riemann zeta函数的宝宝期。

显然有

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(13)

为什么说这是宝宝期呢?

因为显然,右侧级数求和的收敛区间是Re(z)>1,即z的实部大于1。对于z = -1<1,级数显然是发散的。原始的定义是无能为力的。

这跟上一个例子中的函数张三g(z)是不是很相似?只要我们做解析延拓,使之能够在更大的范围内有定义,就能计算z = -1处的取值了。

当然,对于这个函数,进行解析延拓就不是那么容易的了。感兴趣的可以参考黎曼的论文《论小于给定值的素数的个数》。

总而言之,我们可以对一开始的无穷级数进行解析延拓,使之在z=1以外的所有区域都有定义。

这样,进行解析延拓后的函数,就是完全体的Riemann zeta函数了。

特别地,当z = -1时,完全体的Riemann zeta函数取值为-1/12,即

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(14)

延拓前后,函数可以视为一个函数。

延拓前是宝宝,延拓后就长大了。

宝宝当然不知道

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(15)

但长大后,

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(16)

所以为了制造噱头和装13,我们直接这么写:

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(17)

而且有了解析延拓,我们可以随手写下更多充满噱头的公式

1到10为什么不是正整数集(全体正整数的和是-1)(18)

右边其实就是的值而已。

思考

既然“全体正整数的和”是-1/12,那么“全体正整数的积“是多少呢?

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