Ik
kwam ergens de volgende rekenkundige formulering tegen:
1
+ 2 + 3 + 4 + 5 + … = -1/12.
Met
drie puntjes bedoelen wij hier en in wat volgt dat de reeks wordt voortgezet
tot oneindig.
Iedere
nette burger ziet onmiddellijk dat als je steeds grotere positieve getallen bij
elkaar op telt, nooit een negatieve breuk kleiner dan 0 als uitkomst opduiken.
Maar,
omdat nepnieuws op de sociale media ongewenste gevolgen heeft en hele
volksstammen op het verkeerde been zet, voelde ik mij verplicht de
verspreiders van deze onzinnige boodschap te ontmaskeren.
In
wat volgt worden elementaire wiskundige basisvaardigheden aanwezig
verondersteld:
· omgang met haakjes
· vermenigvuldiging van
termen tussen haakjes met (eventueel) negatieve getallen
· aftrekken of optellen
van grootheden links en rechts van het is-gelijkteken.
· omgaan met negatieve
machten in de noemer van breuken.
De
leugenachtige redenering maakt gebruik van twee even absurde optelresultaten.
Stelling 1
1–1+1–1+1–1 + ⋯ = ½
Bewijs:
Noem
de uitkomst van de reeks A
1–1+1–1+1–1 +
⋯ = A
Dan
is
1
–A = 1 – (1–1+1–1+1–1 + ⋯)
1
– A = 1 – 1 + 1 -1 + 1 – 1 + …
1
– A = 0 + 1 -1 +
1 – 1 + ….
1
– A = A
2A = 1
A = 1/2
dus 1–1+1–1+1–1 ⋯ = 1/2
Stelling 2
1–2+3–4+5–6 + ⋯ = 1/4
Bewijs:
Noem de uitkomst van bovenstaande reeks B en maak
gebruik van Stelling 1
A-B = (1–1+1–1+1–1⋯)
- (1–2+3–4+5–6⋯)
A-B = 1–1+1–1+1–1⋯ - 1+2–3+4–5+6⋯
We verplaatsen termen en zetten voor
de duidelijkheid wat haakjes neer.
A-B = (1–1) + (–1+2) +(1–3) + (–1+4)
+ (1–5) + (–1+6)⋯
A-B = 0+1–2+3–4+5⋯
A-B = B
A = 2B
Boven hebben we afgeleid: A =
½.
1/2 = 2B
1/4 = B
Dus 1–2+3–4+5–6⋯ = 1/4.
Stelling 3 (kers op de
taart)
1 + 2 + 3 + 4 + 5 + … = -1/12.
Bewijs:
Noem de som van bovenstaande reeks C en maak gebruik van
Stelling 2
B-C = (1–2+3–4+5–6⋯)-(1+2+3+4+5+6 +⋯)
B-C = 1-2+3-4+5-6 + ⋯ -1-2-3-4-5-6 ⋯
We verplaatsen wat termen en zetten
voor de duidelijkheid wat haakjes.
B-C = (1-1) + (-2-2) + (3-3) + (-4-4)
+ (5-5) + (-6-6) ⋯
B-C = 0-4+0-8+0-12⋯
B-C = -4-8-12⋯
B-C = -4 (1+2+3 ⋯ )
B-C = -4C
B = -3C
Boven hebben we afgeleid B = ¼, dus
1/4 = -3C
C = -1/12
dus
1+2+3+4+5+6
+⋯ = -1/12
Quod Est Demonstrandum.
II.
ONZIN
Zoals gezegd mensen
met enig gezond verstand voelen aan dat deze redenering niet klopt. Het lijkt
op een Zoek de Fout Puzzel.
Echter, bij nadere beschouwing is het
niet meteen duidelijk wat nou precies hapert. Als je de stappen van de bewijsvoering stap voor stap
nagaat lijkt tegen de logica weinig in te brengen.
De verklaring ligt in het verschil tussen
reeksen die als je steeds meer termen optelt steeds dichter bij een bepaalde
waarde komen te liggen en reeksen waar dit niet het geval is.
Convergente reeksen
Beschouw de reeks
1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + 1/32 +
….
De opbouw van de som verloopt als volgt:
1/2, 3/4, 7/8, 15/16, 31/32, ...
Je ziet dat deze som steeds dichter bij 1 komt te liggen als je meer termen toevoegt, anders gezegd, deze reeks convergeert naar 1.
1/2, 3/4, 7/8, 15/16, 31/32, ...
Je ziet dat deze som steeds dichter bij 1 komt te liggen als je meer termen toevoegt, anders gezegd, deze reeks convergeert naar 1.
Divergente reeksen
Bij reeks A uit stelling 1 wappert
als je blijft optellen de som steeds tussen 0 en 1.
Bij reeks B uit stelling 2 wordt de
som afwisselend positief en negatief steeds groter.
Reeks C uit stelling 3 gaat naar
oneindig, zoals we in het begin al vermoedden. Oneindig is geen getal in de
wiskunde.
Dergelijke reeksen worden divergent
genoemd. Ze benaderen geen vast getal.
Divergente reeksen zijn vreemd. Ze
verdwijnen achter de horizon of blijven zich instabiel gedragen.
Bij divergente reeksen zijn bewerkingen
als twee reeksen van elkaar aftrekken, en termen verplaatsen, willekeurig
haakjes zetten niet toegestaan. Zie appendix.
Wij hebben gedaan of
onze neus bloedt met als gevolg, afgemeten tegen elk redelijk criterium, een
onzinnig antwoord.
Er bestaat een interessante youtube video over dit onderwerp. De presentator zegt over bovenstaande bewijsvoering:
Er bestaat een interessante youtube video over dit onderwerp. De presentator zegt over bovenstaande bewijsvoering:
This is not mathematics. Don't use it. Otherwise, you'll burn in mathematical hell!
III EIGENLIJK TOCH NIET HELEMAAL ONZIN
Divergente series, waar niets mee te beginnen valt, sommen die heen en weer wapperen of aan de horizon verdwijnen, botsen met esthetische principes en we willen het wiskundebrood liefst zonder schimmelige korstjes verorberen.
Divergente series, waar niets mee te beginnen valt, sommen die heen en weer wapperen of aan de horizon verdwijnen, botsen met esthetische principes en we willen het wiskundebrood liefst zonder schimmelige korstjes verorberen.
Er zijn daarom verschillende afwijkende
definities voor sommeren van divergente reeksen voorgesteld.
De in stelling 1 beschreven
sommatie heeft zelfs een officiële naam Cesaro sommatie van de Grandi reeks.
Andere sommatie technieken
komen op naam van Abel, Borel, Euler, Hölder, en Lambert.
Soms leveren verschillende
van deze sommatiemethoden toegepast op dezelfde reeks andere uitkomsten op. Welke methode je kiest is dan afhankelijk van
de context waarin je die gebruikt.
Zo blijkt de sommatie methode van Ramanujan betekenis te
hebben in meer exotische takken van wetenschap als kwantummechanica en
bosonische string theorie, die, naar ik heb begrepen, toch al over zaken gaan
waar we ons absoluut geen voorstelling van kunnen maken. Soort zoekt soort.
IV PRIEMGETALLEN
De rare uitkomst van de
Ramanujan sommatie, -1/12, duikt ook op in geavanceerd onderzoek naar
priemgetallen.
In dit onderzoek speelt de z-functie (spreek uit zèta) een belangrijke rol. Deze
functie is een van de kroonjuwelen van de wiskunde, omdat er een fameus, nooit
bewezen vermoeden mee geassocieerd is. Als jij het bewijs voor deze conjectuur levert,
ontvang je een miljoen dollar en word je wereldberoemd. Een groot deel van de
getaltheorie staat of valt met het bewijs van de betreffende hypothese. De
harde schijven van de wiskundebibliotheken staan bijna op barsten van de
literatuur over deze functie.
In dit betoog gebruiken we een
eenvoudige versie van deze functie om een verrassende resultaat mee te
illustreren.
Deze functie blijkt te
convergeren (hun oneindige som benadert een gewoon getal) voor bepaalde waarden
van x, namelijk voor
x > 1. Voor x < 1 is het resultaat divergent.
Illustratie
x > 1: x = 2
De uitkomst is niet direct te begrijpen. Het gaat er om dat de z-functie convergeert naar een
vast getal voor x > 1
Illustratie
x £ 1 : x = -1
.
| formule 1 |
ζ(-1) verschijnt als de som
waar dit artikel over gaat. Inderdaad, die reeks divergeert zoals we gezien
hebben; zij snelt naar oneindig als we onze huis-tuin-en-keukenmanier van
optellen toepassen.
Divergentie stuit ook z-wiskundigen tegen de borst. Als oplossing nemen ze echter
niet lafhartig hun toevlucht tot dubieuze, buitenechtelijke sommatiemethoden zoals
we eerder hebben gezien maar gaan
anders te werk.
Ze proberen de definitie van
de ζ-functie van het gebied waar het wel gedefinieerd is ( x > 1) uit te
breiden naar het gebied waar de oorspronkelijk functie divergeert (dus voor x £ 1) zodanig dat de functie ook daar een normale waarde
heeft en dat allerlei prettige eigenschappen die de oorspronkelijke functie
kenmerken in het convergentiegebied ook behouden blijven in het
divergentiegebied.
Deze werkwijze heet analytische
uitbreiding. (Een verrassende wending is dat onder bepaalde voorwaarden de analytische
uitbreiding maar op één manier tot stand kan worden gebracht, maar dit
terzijde).
Bij de z-functie ziet de
procedure er als volgt uit.
Het idee is om de ongedefinieerde
waarde van de functie in het divergentiegebied te definiëren met behulp van een bestaande waarde in het convergentiegebied.
Bijvoorbeeld: neem x = 1.
Dan is
| Formule 2 |
De oorspronkelijk
ongedefinieerde waarde krijgt nu de interpretatie van een gewoon
getal omdat ζ(2) =π2/6 zoals we boven al hebben
gezien. Bovendien herinneren we ons van school, als we diep in ons geheugen graven, dat sin(π/2) = 1
Combineren we (Formule 1) en (formule 2)
dan levert dat met wat middelbare school rekenwerk:
Hieronder staat een deel van de grafiek van de ζ-functie. Het linker deel is een uitvergroting van het rechterdeel voor x < 0. Met een beetje goede wil kan je in het linkerdeel zien dat voor x = -1, ζ(x) een waarde aanneemt die overeenkomt met -1/12.
Hieronder staat een deel van de grafiek van de ζ-functie. Het linker deel is een uitvergroting van het rechterdeel voor x < 0. Met een beetje goede wil kan je in het linkerdeel zien dat voor x = -1, ζ(x) een waarde aanneemt die overeenkomt met -1/12.
V CONCLUSIE
Wat ik zelf eerlijk gezegd niet overzie is hoe
het resultaat van een soort boerenbedrog (met de rammelende toepassing van de Cesaro en
Ramanujan sommatie) onverwacht weer opduikt
als een hoogst respectabel resultaat na toepassing van zeer serieuze wiskunde,
zoals analytische uitbreidingen van de z-functie.
En het is eigen aan de
menselijke natuur om in onbegrepen, verrassende bevindingen de hand van een
hogere magie te zien. Zie hier, de onverbiddelijke schoonheid van de wiskunde.
In werkelijkheid heeft het te
maken met dat wij zo gewend zijn aan
onze manier van optellen dat andere benaderingen geheel buiten ons
voorstellingsvermogen vallen.
Appendix:
Zomaar haakjes plaatsen is niet toegestaan bij
divergente reeksen.
Neem reeks A uit stelling 1 waar we op twee
manieren haakjes zetten
(1–1)+(1–1)+(1–1) + ⋯ = 1 + (– 1 + 1) + (-1 + 1) + …
Dus
0
+ 0 + 0 + … = 1 + 0 + 0 + 0 + …
oftewel
0
= 1: Een idiote uitkomst.


