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Cos'è il problema di Basilea?

1 + 1/4 + 1/9 + ⋯ = π²/6
Σ 1/n² = π²/6 ≈ 1.64493. Euler, 1734.

Il problema di Basilea chiede: qual è il valore esatto di 1 + 1/4 + 1/9 + 1/16 + ⋯? La serie converge, ma a cosa? Pietro Mengoli lo pose nel 1650. Sfidò ogni matematico per 84 anni finché Euler lo risolse nel 1734 all'età di 28 anni.

Partial sums of 1+1/4+1/9+... converging to π²/6
11.211.421.63π²/6S(n)13467100n

Partial sums approach π²/6 ≈ 1.6449 slowly. Euler proved the limit equals π²/6 in 1734, connecting analysis to geometry.

La dimostrazione di Euler fattorizzò la serie di Taylor per sin(x)/x come un prodotto infinito sui suoi zeri ±π, ±2π, ±3π… Confrontando il coefficiente di x² della forma a prodotto con il coefficiente di Taylor si ottiene direttamente Σ 1/n² = π²/6. È uno dei calcoli più celebri della matematica, e il motivo per cui π appare qui non è una coincidenza: cerchi e sfere hanno connessioni naturali con le somme di interi attraverso la funzione zeta di Riemann.

The first eight terms of the Basel series: 1/n^2
0.5110.250.111110.06250.040.027780.020410.01562n=1n=2n=3n=4n=5n=6n=7n=8

Each term 1/n^2 decreases rapidly. Their sum converges to exactly pi^2/6 ~1.6449.

Il risultato si generalizza: ζ(4) = π⁴/90, ζ(6) = π⁶/945, e tutti i valori zeta pari sono multipli razionali di potenze di π. I valori dispari ζ(3), ζ(5), ζ(7)… sono molto più misteriosi. Apéry dimostrò che ζ(3) è irrazionale nel 1978, ma non si conosce alcuna forma chiusa in termini di π.

Euler's proof idea: sin(x)/x as an infinite product
sin(x)/x = (1−x²/π²)(1−x²/4π²)(1−x²/9π²)…
Comparing x² coefficient: −1/π² − 1/4π² − 1/9π² − … = −1/6
Therefore 1/1² + 1/2² + 1/3² + … = π²/6 ∎
Una probabilità sorprendente

La probabilità che due interi scelti casualmente non abbiano fattori comuni (siano coprimi) è esattamente 6/pi^2, il reciproco di pi^2/6. Questo è approssimativamente il 60.8%. Collega direttamente il problema di Basilea alla teoria dei numeri e alla probabilità.

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