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Euler y el problema de Basilea: Productos infinitos (I)

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El día 18 de Septiembre hizo 229 años de la muerte de Leonhard Euler (ya lo dijimos aquí), así que ¿qué mejor momento para continuar con la serie sobre el problema de Basilea? Ésta serie ya consta de dos entradas (ver aquí y aquí) contando un poco cómo se formula el problema y qué avances se han dado. Vamos a resumirlo un poquito.

El problema de Basilea es calcular la suma de la serie


Jacob Bernoulli fue capaz de probar que la serie efectivamente convergía, i.e. que la suma tiene un valor finito. Una vez que se sabe eso uno puede ir sumando términos a ver qué número va quedando. El problema es que la serie converge muy despacio y hay que sumar muchísimos términos para tener una cantidad aceptable de decimales. Y es aquí donde entra Euler al escribir una serie equivalente que converge mucho más rápido, de manera que hay que sumar menos términos para obtener los mismos decimales.

Veamos qué hizo Euler llegados a este punto. Tenemos que recordar que si tenemos un polinomio

cuyas raíces (reales) son

 entonces podemos escribir 

Con esto en mente observamos que

 tiene cómo raíces 

Así Euler escribe, usando la serie de Taylor,

de donde, si dividimos por x y suponemos que podemos usar la propiedad anterior de los polinomios para una serie de potencias, obtenemos

Ahora basta observar que (3) nos da que el coeficiente que acompaña a x^2 es

y ahora, igualando con (2), obtenemos el resultado

Éste resultado es correcto, pero tiene un enorme “pero”: el argumento es erróneo. No se puede hacer ese desarrollo como producto de las raíces para series. Por ejemplo podemos considerar

que, por tener las mismas raíces que el seno, ¡debería tener el mismo producto infinito! Esta prueba fue muy criticada por la comunidad y Euler siguió trabajando en desarrollos de productos infinitos para el seno de manera que pudiese acallar las quejas con una demostración completamente rigurosa y no sólo con un escueto “pues mi aproximación y el valor exacto que he calculado son iguales…”, pero eso lo dejaremos para otro día…

–Referencias:

Rafael Granero Belinchón, El problema de Basilea: Historia y algunas demostraciones. La Gaceta de la RSME, vol 12, num 4, pag 721-737, 2009.

E. Sandifer, Basel Problem with Integrals, MAA Online, 2004, disponible aquí.

Y aquí un conversor entre fórmulas de Latex e imágenes.

–Nota: Con esta entrada participamos en el Carnaval de Matemáticas en su edición 26, organizado esta vez por ZTFNews.

Euler y el problema de Basilea: La convergencia de la serie

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En una entrada anterior (ver aquí) os contamos cómo Jacob Bernoulli encaró el problema de Basilea, esto es, la suma de la serie

Estamos en 1730 o 1731 y es ahora cuando hace su aparición Leonhard Euler, con su artículo De summatione innumerabilium progressionum, publicado en 1738, donde utiliza un método nuevo para aproximar esta serie. Euler parte de la serie de potencias de

La divide por -x e integra entre 0 y 1/2, obteniendo


En el lado izquierdo de esta expresión hace la sustitución y = 1-x consiguiendo  y reparando en que

se obtiene


Cada uno de los sumandos se puede integrar por partes,

Agrupando de nuevo, se consigue

Podemos ahora sustituir la serie de potencias

con lo cual queda

Ahora, Euler desprecia el producto \log(1)\log(0) y procede igualando la expresión de la derecha con el valor que se ha conseguido de la integral de la izquierda mediante el proceso anterior. De este modo llega a

Con estos manejos poco rigurosos, Euler solucionó el problema de la baja velocidad de convergencia de la serie: gracias a las potencias de dos en el numerador, los términos de la nueva serie que ha obtenido decaen mucho más rápido, y en consecuencia la convergencia de la serie es mucho mejor. Además, Euler conocía el valor de \log(2) con una gran cantidad de cifras decimales, consiguiendo así una aproximación 1.644934 que es correcta en las seis cifras decimales con la suma de sólo catorce términos de la nueva serie.

–Nota 1: Esta entrada participa en el Carnaval de Matemáticas del mes de Marzo. Ésta vez ha sido organizado por Hablando de Ciencia

–Nota 2: Para las imágenes con las fórmulas hemos usado el editor presente en esta web.

–Nota 3:  El texto anterior está basado en el artículo

Rafael Granero Belinchón, El problema de Basilea: Historia y algunas demostraciones. La Gaceta de la RSME, vol 12, num 4, pag 721-737, 2009.

¿Qué hizo Jacob Bernoulli con el problema de Basilea?

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A lo largo de la historia de las Matemáticas ha habido problemas famosos. Muchas veces estos problemas pertenecen al área de la Teoría de Números y algunos hasta se pueden explicar claramente sin el uso de tecnicismos. En este caso vamos a considerar el problema de sumar infinitos términos. Esto en matemáticas es lo que se denomina una serie. Esta entrada es la primera que escribimos sobre el problema de Basilea pero no será la última (también recomendamos la lectura de las entradas de Gaussianos aquí y aquí). En este escrito vamos a tratar de explicar rápidamente los avances en este problema que hizo Jacob Bernoulli. Éste problema, que debe su nombre a la ciudad natal de Euler (1707–1783) y la familia Bernoulli, consiste en hallar la suma de

\displaystyle\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{1}{n^2}\quad (1)

Está claro que siendo un problema conocido en la época de Euler éste tenía que trabajar en el. Sin embargo, dejaremos sus trabajos en esta serie para futuras entradas del blog.

Este problema aparece por primera vez en Novae quadraturae arithmeticae, libro escrito en 1650 por Pietro Mengoli (1625–1686), que fue alumno de Cavalieri (1598–1647) y profesor de la Universidad de Bolonia. Próximamente tendremos que escribir una entrada sobre los trabajos en series de Mengoli.

Desde que se propuso el problema hasta la aparición de Jacob Bernoulli el único avance es la obtención de nueva aproximaciones al valor final (que en esa época ni siquiera se sabia si existía). Esto no es un tema baladí porque esta serie tiene un convergencia muy lenta porque sus términos no decaen excesivamente rápido.

Lo primero que hizo Jacob fue probar que efectivamente la serie sumaba un valor finito. Esto, que puede parecer obvio no lo es en absoluto, pues hay series, las llamadas divergentes, cuya suma es infinito (es decir, la suma diverge). ¿Cómo lo hizo? Pues acotó (1) por algo que él sabía sumar y por lo tanto probó que la suma debía ser un número finito. En concreto el escribió

\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2}<2\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2 + n}=2\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}=2

Además, como todas las series

\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^k},\quad (2)

con k\ge 2 cumplen

\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^k}<\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2}<2,

se obtiene que todas estas series convergen.

El segundo es que para una serie del tipo más general (2), la suma de (sólo) sus términos impares es

\displaystyle\frac{2^k-1}{2^k}\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^k}

Para probar esta última afirmación basta multiplicar toda la serie (2) por 2^{-k}, con lo que la serie que conseguimos es la de los términos pares, y ahora restar esta serie de la original.

Así tras su trabajo se sabía que efectivamente podían tratar de sumar la serie porque el valor era finito y que además podían considerar también el problema de la serie generalizada (2). En la próxima entrada veremos cómo Euler consigue una serie cuya suma es la misma que la suma de (1) pero con una convergencia mucho más rápida, de manera que hacer aproximaciones a la suma total dejó de ser un tema laborioso.

Esto de las series es un tema entretenido, así que para no abusar y disfrutar sólo nosotros, os dejamos un problemita muy sencillo:

¡Ejercitando las neuronas!

¿Sabríais demostrar que la serie \sum_{n=0}^\infty \frac{1}{2^n} converge? ¿Sabríais calcular su valor? ¿y la serie \sum_{n=0}^\infty (-1)^n? Y por último ¿podríais decir si la serie \sum_{n=0}^\infty \frac{n}{2^n} converge?

Tal y como dijimos en el resumen que sacamos ayer estábamos preparando, como segunda aportación al Carnaval de Matemáticas en su edición 3.1, una entrada sobre el problema de Basilea.

–Nota: El texto anterior está basado en el artículo

Rafael Granero Belinchón, El problema de Basilea: Historia y algunas demostraciones. La Gaceta de la RSME, vol 12, num 4, pag 721-737, 2009.