Математические байки

Возвращаясь к доказательству самого Эйлера — на него можно смотреть несколькими способами. Давайте сначала посмотрим на то, как оно у Эйлера записано. Он начинает с того, что разлагает бесконечное произведение (1-x)(1-x^2)(1-x^3)... по последнему не-единичному сомножителю, вылезающему при раскрытии скобок:

Да, я тут основываюсь на статье J. Bell, A summary of Euler's work on the pentagonal number theorem, Archive for History of Exact Sciences, Vol. 64, No. 3 (May 2010), pp. 301-373, — и вот абзац с хронологией оттуда. (А вот его же препринт на arXiv-е, правда, сильно более короткий; кстати — кажется, первый раз, когда я вижу в аннотации препринта версию на латыни.)

(5 лет от присланной статьи до публикации; хорошо, что Эйлеру не приходилось отчитываться публикациями по грантам!)

Но — поскольку на тот момент пентагональная теорема всё ещё не доказана, то в таком же статусе оказывается и рекуррентное соотношение: "таких совпадений не бывает", "так должно продолжаться и дальше", но формально не доказано. Доказательство пентагональной теоремы Эйлер получит только ещё через несколько лет: в 1750-м он отправит его в письме Гольдбаху, а затем включит в статью "Demonstratio theorematis circa ordinem in summis divisorum observatum", Novi commentarii academiae scientiarum Petropolitanae 5 (1754/5), 1760, p. 75-83.

Ну и остаётся совсем ничего: если Q(x) это исходное произведение, а T(x) это производящая функция для σ(n), то пентагональная теорема утверждает, что Q(x)= 1 -x -x^2 +x^5 +x^7 - ..., а мы только что получили, что xQ'(x)/Q(x) = T(x). Если домножить на знаменатель — то получается T(x)*Q(x)=xQ'(x). И приравнивание коэффициентов при x^n как раз и даёт то самое рекуррентное соотношение на σ(n); а появление n вместо σ(0) происходит из-за правой части (где для [обобщённых] пятиугольных n коэффициент умножается на n).

Видно, каждая дробь dx^d/(1-x^d) как раз даёт вклад d в коэффициент при каждой степени x^n с n, делящимся на d — вот "по столбцам" и получается производящая функция для суммы делителей σ(n).

(https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k6952c/f291.item )

И давайте для следующего шага я приведу скриншот совсем из оригинала:

(кстати, и впрямь много лет назад — с 1740-го прошло 7 лет!)

Собственно — вот, как об этом пишет сам Эйлер:

На самом деле, когда утверждение уже есть, его вывод из пентагональной теоремы очень естественен. Я очень люблю принцип "видишь длинное произведение — прологарифмируй!"; если прологарифмировать произведение Q(x)=(1-x)(1-x^2)(1-x^3)(1-x^4)(1-x^5)..., стоящее с одной из сторон равенства в пентагональной теореме, то получается сумма ln Q(x) = \sum_d ln(1-x^d). Если её теперь продифференцировать, то логарифмы исчезают, и остаётся Q'(x)/Q(x) = \sum_d d*x^{d-1}/(1-x^d). И если теперь домножить на x, то в правой части получается в точности производящая функция для σ(n)!

Мне хочется воспроизвести тут полностью то, что Эйлер пишет в первом абзаце своей статьи: === До сих пор математики тщетно пытались обнаружить в последовательности простых чисел какой-либо порядок, и мы имеем все основания верить, что здесь существует какая-то тайна, в которую человеческий ум никогда не проникнет. Чтобы убедиться, следует только взглянуть на таблицу простых чисел, которую некоторые взяли на себя труд вычислить дальше чем до ста тысяч, и осознать, что здесь нет никакого порядка и никакого правила. Это тем более удивительно, что арифметика дает нам определенные правила, с помощью которых мы можем продолжать последовательность простых чисел сколь угодно далеко, не замечая, однако, ни малейшего следа порядка. Я сам, конечно, далек от этой цели, но мне удалось открыть чрезвычайно странный закон, управляющий последовательностью сумм делителей целых чисел, которая на первый взгляд кажется неправильной ровно в такой же степени, как и последовательность простых чисел, и которая в некотором смысле даже включает в себя эту последнюю. Этот закон, который я вскоре объясню, по моему мнению, тем более замечателен, что он имеет такую природу, что мы можем быть уверены в его справедливости, не давая ему безукоризненного доказательства. Тем не менее я представлю в его пользу такие доводы, которые можно рассматривать как почти равносильные строгому доказательству. === (цит. по: Д. Пойа, Математика и правдоподобные рассуждения, глава VI)

Так вот, продолжая историю про Эйлера. 1747-й год, пентагональная теорема все ещё только гипотеза. Эйлер открывает другое утверждение — на этот раз о сумме делителей. А именно — пусть σ(n) это сумма всех делителей числа n, включая 1 и его самого. Последовательность значений σ(n) — 1, 3, 4, 7, 6, 12, 8, 15, ... . На вид достаточно нерегулярная — что естественно, σ(n) хорошо связано с разложением n на простые множители, но у n и у n+1 разложения совершенно разные. Так вот — Эйлер обнаруживает, что она подчиняется практически такому же рекуррентному соотношению, что и p(n), с единственной заменой: если в правой части возникает σ(0), то нужно вместо него подставить n. Он публикует статью Découverte d'une loi tout extraordinaire des nombres par rapport à la somme de leurs diviseurs — оригинал на французском можно найти тут, а ещё она в переводе вошла в книгу Пойа "Математика и правдоподобные рассуждения", см. главу VI. Смотрите (подстановку n вместо σ(0) я выделяю жирным) : σ(1)=1; σ(2)=σ(2-1)+2=3; σ(3)=σ(3-1)+σ(3-2)=1+3=4; σ(4)=σ(4-1)+σ(4-2)=7; σ(5)=σ(5-1)+σ(5-2)-5=4+7-5=6; σ(6)=σ(6-1)+σ(6-2)-σ(6-5)=7+6-1=12; σ(7)=σ(7-1)+σ(7-2)-σ(7-5)-7=12+6-3-7=8; ... Удивительно, правда?

коллеги из МКН СПбГУ сообщают, что сегодня (27.04) в 17 часов Федор Петров будет разбирать избранные задачи Всероссийской олимпиады по математике этого года zoom ID 833 2177 9056 pass 225225 тж. обещают трансляцию на https://www.youtube.com/channel/UCyE7AvYBGTt0uPV_WTWRvTg

Доказал Эйлер её, собственно, далеко не сразу. В 1740-м, заинтересовавшись этой темой после письма Филиппа Науде (Philippe Naudé) — где был, среди прочего, вопрос "сколькими способами можно представить 50 в виде суммы 7 различных слагаемых" — Эйлер её открывает экспериментально. Упоминает в том же 1740-м в письме Даниилу Бернулли, и включает в свою статью "Observationes analyticae variae de combinationibus", которую подаёт в 1741 году. Вот тут можно посмотреть на скан, видимо, оригинального издания; вот тут — на неё в его полном собрании сочинений, тоже на латыни; а вот тут — на английский перевод. Кстати — выхода статьи ему пришлось ждать 10 лет(!):

А ещё можно задуматься — если инволюцию Франклина придумал аж в 1881-м Франклин, то как же пентагональную теорему (больше, чем на 120 лет раньше!) доказывал сам Эйлер? И там всё интересно! Собственно, когда я начинал эту байку записывать, я ответа не знал — спасибо Феде Петрову за рассказ и за ссылки!