Математические байки

Но третий, совершенно прекрасный, вероятностный взгляд на всё то же доказательство придумал Федя Петров. Он описан у него вот тут, но я всё-таки пару слов скажу.

И ход доказательства Эйлера — это итеративное применение этого тождества.

(G. Andrews, Euler's pentagonal number theorem, Mathematics Magazine, vol. 56, 1983)

Тогда вынесение первых двух слагаемых и раскрытие первой скобки это функциональное уравнение:

(G. Andrews, Euler's pentagonal number theorem, Mathematics Magazine 56, 1983)

Второй способ (чуть более современный взгляд) — я его увидел в статье G. Andrews, Euler's pentagonal number theorem, Mathematics Magazine 56 (1983), no. 5, 279-284 — состоит в том, чтобы рассмотреть такие суммы произведений, зависящие от двух переменных.

И вот итог — пентагональная теорема доказана!

И тут уже понятно, как нужно формулировать утверждения (где там степени образуют арифметическую прогрессию с какой разностью) — и что как только последовательность утверждений правильно записать, мгновенно получится доказательство по индукции.

И так далее.

Опять раскрываем в C первую скобку (1-x^3), опять всё хорошо сокращается, опять смотрим на сумму конечных произведений.

Опять забираем "в итог" первые два слагаемых 1-x^5 из B, выносим за скобки x^8: B=1-x^5-C*x^8.

Опять раскрываем первую скобку произведений (это 1-x^2), опять хорошо сокращается то, что из каждого слагаемого получается с (-x^2) с тем, что из следующего получается с 1 (Эйлер как раз их одно под другим пишет), опять получаем сумму конечных произведений.

И Эйлер получает A как сумму конечных произведений похожего вида. Теперь можно "забрать в итог" 1-x^3 из A (после умножения на -x^2 они как раз дадут -x^2+x^5), и вынести за скобки x^5, получая A=1-x^3-x^5*B

Удивительным образом, после такого раскрытия кусочек с (-x) из каждого слагаемого хорошо сокращается с кусочком 1 из следующего!

Получается бесконечная сумма уже конечных произведений. Дальше Эйлер забирает "в итог" первые слагаемые 1-x, выносит x^2 из оставшегося, и раскрывает скобки у (1-x), на который они все делятся:

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.)