Математические байки

По-моему, очень красиво!

И так продолжается и дальше (image credit: F. Petrov, Euler’s proof of pentagonal theorem).

Если смотреть на 1-s — то оно разбивается по тому, какой самый левый прямоугольник остался пустым. Либо это левая клетка (вклад x), либо пустых клеток хотя бы две (выносим x^2), а во всех прямоугольниках левее того есть хотя бы по одной ёлке (иначе бы это был не самый левый), и мы получаем бесконечную сумму конечных произведений конфигураций "вот тут ёлок нет, а вот в каждом из этих прямоугольников хотя бы одна есть".

Вот пусть у нас есть квадратики, в каждом из которых независимо может вырасти ёлка с вероятностью (1-x) (и, соответственно, он остаётся пустым с вероятностью x). Тогда в прямоугольнике 1xn не вырастает ни одной ёлки с вероятностью x^n — соответственно, хоть одна вырастает с вероятностью (1-x^n). А произведение s=(1-x)(1-x^2)(1-x^3)... — это вероятность того, что ни один из прямоугольников размера 1x1, 1x2, 1x3,... не останется пустым!

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: