留数定理を用いたバーゼル問題の美しい証明

バーゼル問題

n=11n2=π26 \sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{1}{n^2} = \dfrac{\pi^2}{6}

この記事ではバーゼル問題を留数定理を用いて証明します。

留数定理については

を参照してください。バーゼル問題については

もどうぞ。

重積分を用いた別証もあります。

2025/11/15 に積分路のミスと計算のミスを修正しました。ご指摘ありがとうございました。

記法の注意

以下,単に \int を書く場合,適切な極限で広義積分されていることとします。

今回 (logx)2x21\dfrac{(\log x)^2}{x^2-1} という関数を積分しますが,単に 0(logx)2x21dx \int_0^{\infty} \dfrac{(\log x)^2}{x^2-1}dx と書いた場合, lima0,b0,c(a1b(logx)2x21dx+1+bc(logx)2x21dx) \lim_{a \to 0 , b \to 0 , c \to \infty} \left( \int_a^{1-b} \dfrac{(\log x)^2}{x^2-1}dx + \int_{1+b}^c \dfrac{(\log x)^2}{x^2-1}dx \right) という広義積分を考えていることにします。

これをしばしば p.v.p.v. \int と表記することもあります。

証明

重積分を用いたバーゼル問題の美しい証明 でも説明していますが,

n=11n2=k=01(2k+1)2+m=11(2m)2=k=01(2k+1)2+14m=11m2\begin{aligned} \sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{1}{n^2} &= \sum_{k=0}^{\infty} \dfrac{1}{(2k+1)^2} + \sum_{m=1}^{\infty} \dfrac{1}{(2m)^2}\\ &= \sum_{k=0}^{\infty} \dfrac{1}{(2k+1)^2} + \dfrac{1}{4} \sum_{m=1}^{\infty} \dfrac{1}{m^2} \end{aligned} と変形することで n=11n2=43k=01(2k+1)2 \sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{1}{n^2} = \dfrac{4}{3} \sum_{k=0}^{\infty} \dfrac{1}{(2k+1)^2} が得られます。

よって次の式を証明すればよいことになります。

定理

k=01(2k+1)2=π28 \sum_{k=0}^{\infty} \dfrac{1}{(2k+1)^2} = \dfrac{\pi^2}{8}

今回は

01logxx21dx \int_0^1 \dfrac{\log x}{x^2-1} dx

を用います。

ステップ1

まずは積分とバーゼル問題の関係付けをします。

ステップ1

1x21\dfrac{1}{x^2-1} をマクローリン展開する。

1x21=k=0x2k \dfrac{1}{x^2-1} = - \sum_{k=0}^{\infty} x^{2k}

よって logxx21=k=0x2klogx \dfrac{\log x}{x^2-1} = -\sum_{k=0}^{\infty} x^{2k} \log x である。

これより 01logxx21dx=01k=0x2klogxdx \int_0^1 \dfrac{\log x}{x^2 - 1} dx = - \int_0^1 \sum_{k=0}^{\infty} x^{2k} \log x dx となる。ここで単調収束定理(詳しくは ルベーグの収束定理 を参照)を用いると,積分と極限が交換でき 01logxx21dx=k=001x2klogxdx \int_0^1 \dfrac{\log x}{x^2 - 1} dx = - \sum_{k=0}^{\infty} \int_0^1 x^{2k} \log x dx となる。

項別積分すると 01x2klogx=[12k+1x2k+1logx]0112k+101x2k+11xdx=1(2k+1)2[x2k+2]01=1(2k+1)2\begin{aligned} &\int_0^1 x^{2k} \log x \\ &= \Big[ \dfrac{1}{2k+1} x^{2k+1} \log x \Big]_0^1\\ &\quad - \dfrac{1}{2k+1} \int_0^1 x^{2k+1} \cdot \dfrac{1}{x} dx\\ &= -\dfrac{1}{(2k+1)^2} \Big[ x^{2k+2} \Big]_0^1\\ &= - \dfrac{1}{(2k+1)^2} \end{aligned} となる。

よって 01logxx21dx=k=01(2k+1)2 \int_0^1 \dfrac{\log x}{x^2-1} dx = \sum_{k=0}^{\infty} \dfrac{1}{(2k+1)^2} を得る。

ステップ2

積分が実際に π28\dfrac{\pi^2}{8} であることを証明します。

計算の流れは 留数定理による対数・無理関数の積分 の例題3と同じです。

ステップ2-1

ステップ2-1(設定)

もとめる積分を II とおく。

まず与式を x=1yx = \dfrac{1}{y} に置換する。 1logxx21(dxx2)=1logxx21dx\begin{aligned} &\int_{\infty}^1 \dfrac{-\log x}{x^{-2}-1} \left( - \dfrac{dx}{x^2} \right)\\ &= \int_1^{\infty} \dfrac{\log x}{x^2-1} dx \end{aligned}

よって 2I=0logxx21dx 2I = \int_0^{\infty} \dfrac{\log x}{x^2-1} dx となる。

この積分を留数定理で計算する。

そのまま計算するのではなく C(logz)2z21dz \oint_{C} \dfrac{(\log z)^2}{z^2-1} dz を考える。

なお,下図のような積分路 CC を考える。

  • C1C_1:半径 RR,中心 00 の円のうち,Re(z)>0, δ<Im(z)<δ\mathrm{Re} (z) > 0 , \ -\delta < \mathrm{Im} (z) < \delta の部分を取り除いたもの
  • C2+C_2^+:半径 ε\varepsilon,中心 00 の円のうち,Im(z)>δ\mathrm{Im} (z) > \delta の部分
  • C2C_2^-:半径 ε\varepsilon,中心 00 の円のうち,Im(z)<δ\mathrm{Im} (z) < -\delta の部分
  • C3C_3:半径 ε\varepsilon,中心 00 の円のうち,Re(z)>0, δ<Im(z)<δ\mathrm{Re} (z) > 0 , \ -\delta < \mathrm{Im} (z) < \delta の部分を取り除いたもの
  • L1+L_1^+C2+C_2^+C3C_3 を結ぶ線分
  • L1L_1^-C2C_2^-C3C_3 を結ぶ線分
  • L2+L_2^+C2+C_2^+C1C_1 を結ぶ線分
  • L2+L_2^+C2C_2^-C1C_1 を結ぶ線分

L1+,L1,L2+,L2L_1^+,L_1^-,L_2^+,L_2^- は虚部が δ\delta であることに注意)

picy

留数定理より C(logz)2z21dz=2πi  Res((logz)2z21,1)=2πilimz1(logz)2z1=πi(log(1))2=πi(πi)2=π3i\begin{aligned} &\oint_{C} \dfrac{(\log z)^2}{z^2-1} dz\\ &= 2\pi i \; \mathrm{Res} \left( \dfrac{(\log z)^2}{z^2-1} , -1 \right)\\ &= 2\pi i \lim_{z \to -1} \dfrac{(\log z)^2}{z-1}\\ &= -\pi i (\log (-1))^2\\ &= -\pi i (\pi i)^2\\ &= \pi^3 i \end{aligned} である。

以下,各積分路での計算を行う。

ステップ2-2:C1,C2C_1,C_2

ステップ2-2

C1C_1 上での積分を評価する。

limRC1(logz)2z21limRC1logz2z21dzlimR02πR(logR)2+Rθ2R21dθ=limR(2πR(logR)2R21+8π3R3(R21))=0\begin{aligned} \lim_{R \to \infty} \left| \int_{C_1} \dfrac{(\log z)^2}{z^2-1} \right| & \leqq \lim_{R \to \infty} \int_{C_1} \dfrac{|\log z|^2}{|z|^2-1} |dz|\\ & \leqq \lim_{R \to \infty} \int_0^{2\pi} \dfrac{R(\log R)^2 + R\theta^2}{R^2-1} d\theta\\ &= \lim_{R \to \infty} \left( \dfrac{2 \pi R (\log R)^2}{R^2-1} + \dfrac{8\pi^3 R}{3(R^2-1)} \right)\\ &= 0 \end{aligned} である。

z=Reiθz = Re^{i\theta} と置換している。途中で logz2=logR+iθ2(logR)2+θ2\begin{aligned} |\log z|^2 &= |\log R + i\theta|^2\\ &\leqq (\log R)^2 + \theta^2 \end{aligned} と計算している。

なお θ\theta での積分の範囲は [0,2π][0,2\pi] ではないが,[0,2π][0,2\pi] に含まれるため,上記のような不等式で評価してよい。

  \;

次に C3C_3 上での積分を評価する。1z21\dfrac{1}{z^2-1}C3C_3 上で正則であるため,最大値 MM を持つことを用いる。 limε0C3(logz)2z21dzlimε0C3logz2z21dzlimε002πMε((logε)2+θ2)dθ=0\begin{aligned} \lim_{\varepsilon \to 0} \left| \int_{C_3} \dfrac{(\log z)^2}{z^2-1} dz \right| &\leqq \lim_{\varepsilon \to 0} \int_{C_3} \dfrac{|\log z|^2}{|z^2-1|}|dz|\\ &\leqq \lim_{\varepsilon \to 0} \int_0^{2 \pi} M\varepsilon ((\log \varepsilon)^2 + \theta^2) d\theta\\ &= 0 \end{aligned} である。

ステップ2-3:C2±C_2^{\pm}

ステップ2-3

logz\log zz=1z = 1 近傍でローラン展開することで log(z)=(z1)+12(z1)2+ \log (z) = (z-1) + \dfrac{1}{2} (z-1)^2 + \cdots と表される

  \;

C2+C_2^+ の計算

z=εeiθ+1z = \varepsilon e^{i\theta} + 1 と置換する。このとき,ローラン展開により log(z)=εeiθ+12ε2e2iθ+ \log (z) = \varepsilon e^{i\theta} + \dfrac{1}{2} \varepsilon^2 e^{2i\theta} + \cdots と表される。一方,十分小さい ε\varepsilon において 1z21=1εeiθ(εeiθ+2)12εeiθ \dfrac{1}{z^2-1} = \dfrac{1}{\varepsilon e^{i\theta} (\varepsilon e^{i\theta} + 2)} \sim \dfrac{1}{2\varepsilon e^{i\theta}} と表される。(これらの差分は ε0\varepsilon \to 000 に収束する)

よって,十分小さい ε\varepsilon において (logz)2z21εeiθ2εeiθ+O(ε2)=εeiθ2+O(ε)\begin{aligned} \dfrac{(\log z)^2}{z^2-1} &\sim \dfrac{\varepsilon e^{i\theta}}{2\varepsilon e^{i\theta}} + O(\varepsilon^2)\\ &= \dfrac{\varepsilon e^{i\theta}}{2} + O(\varepsilon) \end{aligned} と表される。

こうして limδ0limε0C2+(logz)2z2+1dzlimε0π0(εeiθ2+O(ε))εieiθdθ=limε0ε×(ε の整式)=0\begin{aligned} &\lim_{\delta \to 0} \lim_{\varepsilon \to 0} \int_{C_2^+} \dfrac{(\log z)^2}{z^2+1} dz \\ &\to \lim_{\varepsilon \to 0} \int_{\pi}^{0} \left( \dfrac{\varepsilon e^{i\theta}}{2} + O(\varepsilon) \right) \varepsilon ie^{i\theta} d\theta \\ &= \lim_{\varepsilon \to 0} \varepsilon \times (\varepsilon \ \text{の整式}) = 0 \end{aligned} となる。

\:

C2C_2^- の計算

同様に置換をする。

前のケースとは異なり,偏角 2π2\pilog\log の値がずれて logz=log(1+εeiθ)+2πi \log z = \log (1+\varepsilon e^{i\theta}) + 2\pi i と表される。よって (logz)2(2πi)2+4πiεeiθ+O(ε2)\begin{aligned} (\log z)^2 \sim (2\pi i)^2 + 4 \pi i \varepsilon e^{i\theta} + O(\varepsilon^2) \end{aligned} となる。ゆえに (logz)2z214π2+4πiεeiθ2εeiθ+O(ε)=2π2εeiθ+2πi+O(ε)\begin{aligned} \dfrac{(\log z)^2}{z^2-1} &\sim \dfrac{-4\pi^2 + 4\pi i \varepsilon e^{i\theta}}{2\varepsilon e^{i\theta}} + O(\varepsilon)\\ &= -\dfrac{2\pi^2}{\varepsilon e^{i\theta}} + 2\pi i + O (\varepsilon) \end{aligned} と表される。

こうして limδ0limε0C2(logz)2z2+1dz=limε0π2π(2π2εeiθ+2πi+O(ε))εieiθdθ=limε0π2π(2πi+O(ε))dθ=2π3i\begin{aligned} &\lim_{\delta \to 0} \lim_{\varepsilon \to 0} \int_{C_2^-} \dfrac{(\log z)^2}{z^2+1} dz \\ &= \lim_{\varepsilon \to 0} \int_{\pi}^{2\pi} \left( -\dfrac{2\pi^2}{\varepsilon e^{i\theta}} + 2\pi i + O (\varepsilon) \right) \varepsilon ie^{i\theta} d\theta\\ &= \lim_{\varepsilon \to 0} \int_{\pi}^{2\pi} (-2\pi i+ O(\varepsilon)) d\theta\\ &= -2\pi^3 i \end{aligned}

ステップ2-4:Li±L_i^{\pm}

最後の直線上の積分を確認しましょう。

ステップ2-4

以下,L+=L1+L2+L^+ = L_1^+ \cup L_2^+L=L1L2L^- = L_1^- \cup L_2^- とする。

L+,LL^{+},L^{-} 上での積分を評価する。

L+L^+ 上で被積分関数は (log(x+iδ))2(x+iδ)21\dfrac{(\log (x+i\delta))^2}{(x+i\delta)^2-1} となる。有界区間(今は [ε,R][\varepsilon , R] 上を考える)これは δ0\delta \to 0(logx)2x21\dfrac{(\log x)^2}{x^2-1} に一様収束する。

よって limδ0L+(logz)2z21dz=ε1ε(logx)2x21dx+1+εR(logx)2x21dx\begin{aligned} &\lim_{\delta \to 0} \int_{L^+} \dfrac{(\log z)^2}{z^2-1} dz =\\ &\int_{\varepsilon}^{1-\varepsilon'} \dfrac{(\log x)^2}{x^2-1} dx + \int_{1+\varepsilon'}^R \dfrac{(\log x)^2}{x^2-1} dx \end{aligned} が得られる。(ただし ε\varepsilon'ε0\varepsilon \to 000 に収束する十分小さい正数)

同様に LL^- で被積分関数は (log(xiδ))2(x+iδ)21\dfrac{(\log (x-i\delta))^2}{(x+i\delta)^2-1} となり,δ0\delta \to 0(logx+2πi)2x21\dfrac{(\log x + 2\pi i)^2}{x^2-1} に一様収束する。なお,logz=logz+iargz\log z = \log |z| + i \arg z であったことから,LL^- において argz2π\arg z \to 2\pi であることに注意する。

こうして limδ0L(logz)2z21dz=R1+ε(logx+2πi)2x21dx+1εε(logx+2πi)2x21dx=ε1ε(logx+2πi)2x21dx1+εR(logx+2πi)2x21dx\begin{aligned} &\lim_{\delta \to 0} \int_{L^-} \dfrac{(\log z)^2}{z^2-1} dz \\ &= \int_{R}^{1+\varepsilon'} \dfrac{(\log x + 2\pi i)^2}{x^2-1} dx + \int_{1-\varepsilon'}^{\varepsilon} \dfrac{(\log x + 2\pi i)^2}{x^2-1} dx\\ &= -\int_{\varepsilon}^{1-\varepsilon'} \dfrac{(\log x + 2\pi i)^2}{x^2-1} dx-\int_{1+\varepsilon'}^R \dfrac{(\log x + 2\pi i)^2}{x^2-1} dx \end{aligned} が得られる。

まとめ

証明

以上をまとめると limRlimε0limδ0C(logz)2z21dz=0(logx)2x21dx0(logx+2πi)2x21dx=04π24πilogxx21dx=4π201x21dx4iπ0logxx21dx\begin{aligned} &\lim_{R \to \infty} \lim_{\varepsilon \to 0} \lim_{\delta \to 0} \oint_C \dfrac{(\log z)^2}{z^2-1} dz\\ &= \int_{0}^{\infty} \dfrac{(\log x)^2}{x^2-1} dx -\int_{0}^{\infty} \dfrac{(\log x + 2\pi i)^2}{x^2-1} dx\\ &= \int_{0}^{\infty} \dfrac{4\pi^2-4\pi i \log x}{x^2-1} dx\\ &= 4\pi^2\int_{0}^{\infty} \dfrac{1}{x^2-1} dx-4 i \pi \int_{0}^{\infty} \dfrac{\log x}{x^2-1} dx \end{aligned} となる。一方で limRlimε0limδ0C(logz)2z21dz=π3i2π3i=π3i\begin{aligned} &\lim_{R \to \infty} \lim_{\varepsilon \to 0} \lim_{\delta \to 0} \oint_C \dfrac{(\log z)^2}{z^2-1} dz\\ &=\pi^3 i-2\pi^3 i \\ &= -\pi^3 i \end{aligned} である。

虚部を比較することで I=120logxx21dx=π28 I = \dfrac{1}{2} \int_{0}^{\infty} \dfrac{\log x}{x^2-1} dx = \dfrac{\pi^2}{8} が得られる。

この積分は東大数学科の院試でも登場しています。