Квант

52

Три формулы Рамануджана
Кандидат физико-математических наук
В. С. ШЕВЕЛЕВ

В формулах Рамануджана всегда содержится горадо большие, чем это кажется на первый взгляд…

Харди

В этой статье речь пойдет о трех замечательных формулах Рамануджана*), каждая из которых содержит в левой части три кубических корня:

193−293+493=23−13,\sqrt[3]{\frac{1}{9}} - \sqrt[3]{\frac{2}{9}} + \sqrt[3]{\frac{4}{9}} = \sqrt[3]{\sqrt[3]{2} - 1},

(1)

cos⁡2π73+cos⁡4π73+cos⁡8π73=\sqrt[3]{\cos \frac{2\pi}{7}} + \sqrt[3]{\cos \frac{4\pi}{7}} + \sqrt[3]{\cos \frac{8\pi}{7}} =

=5−37323,= \sqrt[3]{\frac{5 - 3\sqrt[3]{7}}{2}},

(2)

Эти формулы трудно спутать с формулами какого-либо другого математика: они напоминают загадочное жонглирование с числами.

Первая формула более проста и доказывает последовательным возвведение в куб. Для нас, кроме естественного воспрятия, она интересна тем, что в структуром отношений очень похожа на две следующие. Что же касается формул (2) и (3), то здесь далеко не все так просто. Приведем интересные цитаты об этих формулах из брошюры В. И. Левина**):

«Эти формулы совсем элементарны, но очень глубоки. Они обладают неповторимой внутренней симметрией, иогдается об их существовании

**) О жизни и творчества этого уникального математика вы можете причитать в «Кванте» № 10 за 1987 год.

**) Левин В. И. Рамануджаан. — М.: Знание, 1968.

53

Мог только математик самого высокого ранга». И еще: «Эти точные равенства являются, конечно, частными случаями значительного более общих соотношений, которые распространяют Рамануджан, но о которых он никогда ничего не сообщил…»

Мы приглашаем читателя проследить за доказательством формул (2) и (3). В некоторых местах ему понадобятся карандаш и бумага. В награду он почти внутренний механизм, управляющий этими красивыми формулами и, по-видимому, сможет, уже самостоятьно, доказать несколько формул типа формул Рамануджана (найdenных автором, — см. упражнение 5), а возможно, и придумать свои.

Связь с формулами Виета

Связь между тригонометрией и алгеброй легко угадавается в формулах Рамануджана. Вглядимся пристальное в числа

{cos⁡2π7,cos⁡4π7,cos⁡8π7cos⁡2π9,cos⁡4π9,cos⁡8π9.\begin{cases} \cos \frac{2\pi}{7}, \cos \frac{4\pi}{7}, \cos \frac{8\pi}{7} \\ \cos \frac{2\pi}{9}, \cos \frac{4\pi}{9}, \cos \frac{8\pi}{9} \end{cases}.

Прежде всего бросается в глаза, что аргументы косинусов составляют в обеих тройках геометрические прогрессии со значенателем 2.

Воспользовавшись преобразованием

cos⁡αcos⁡2αcos⁡4α=sin⁡2αcos⁡2αcos⁡4α2sin⁡α=sin⁡4αcos⁡4α4sin⁡α=sin⁡8α8sin⁡α,\cos \alpha \cos 2\alpha \cos 4\alpha = \frac{\sin 2\alpha \cos 2\alpha \cos 4\alpha}{2 \sin \alpha} = \frac{\sin 4\alpha \cos 4\alpha}{4 \sin \alpha} = \frac{\sin 8\alpha}{8 \sin \alpha},

можно установить такие равенства:

cos⁡2π7cos⁡4π7cos⁡8π7=18,\cos \frac{2\pi}{7} \cos \frac{4\pi}{7} \cos \frac{8\pi}{7} = \frac{1}{8},

cos⁡2π9cos⁡4π9cos⁡8π9=−18.\cos \frac{2\pi}{9} \cos \frac{4\pi}{9} \cos \frac{8\pi}{9} = -\frac{1}{8}.

Это — наш первый успex, показывающий, что аргументы косинусов в формулах Рамануджана выбранны относительно не случайной.

Попробем найти теперь суммы трех косинусов. Имеем:

cos⁡2π7+cos⁡4π7+cos⁡8π7=\cos \frac{2\pi}{7} + \cos \frac{4\pi}{7} + \cos \frac{8\pi}{7} =

=2sin⁡π72sin⁡π7(cos⁡2π7+cos⁡4π7+cos⁡6π7)== \frac{2 \sin \frac{\pi}{7}}{2 \sin \frac{\pi}{7}} \left( \cos \frac{2\pi}{7} + \cos \frac{4\pi}{7} + \cos \frac{6\pi}{7} \right) =

=12sin⁡π7(sin⁡3π7−sin⁡π7+sin⁡5π7)−sin⁡3π7+sin⁡π−sin⁡5π7=−12;= \frac{1}{2 \sin \frac{\pi}{7}} \left( \sin \frac{3\pi}{7} - \sin \frac{\pi}{7} + \sin \frac{5\pi}{7} \right) - \sin \frac{3\pi}{7} + \sin \pi - \sin \frac{5\pi}{7} = -\frac{1}{2};

cos⁡2π9+cos⁡4π9+cos⁡8π9=\cos \frac{2\pi}{9} + \cos \frac{4\pi}{9} + \cos \frac{8\pi}{9} =

=cos⁡2π9+cos⁡4π9−cos⁡π9== \cos \frac{2\pi}{9} + \cos \frac{4\pi}{9} - \cos \frac{\pi}{9} =

=2cos⁡3π9cos⁡π9−cos⁡π9=0.= 2 \cos \frac{3\pi}{9} \cos \frac{\pi}{9} - \cos \frac{\pi}{9} = 0.

Наконец, пошем такие суммы:

S1=cos⁡2π7cos⁡4π7+cos⁡2π7cos⁡8π7+cos⁡4π7cos⁡8π7,S_1 = \cos \frac{2\pi}{7} \cos \frac{4\pi}{7} + \cos \frac{2\pi}{7} \cos \frac{8\pi}{7} + \cos \frac{4\pi}{7} \cos \frac{8\pi}{7},

S2=cos⁡2π9cos⁡4π9+cos⁡2π9cos⁡8π9+cos⁡4π9cos⁡8π9.S_2 = \cos \frac{2\pi}{9} \cos \frac{4\pi}{9} + \cos \frac{2\pi}{9} \cos \frac{8\pi}{9} + \cos \frac{4\pi}{9} \cos \frac{8\pi}{9}.

Упражнение 1. Докажите, что S1=−12,S2=−34S_1 = -\frac{1}{2}, S_2 = -\frac{3}{4}.

Напишем теперь формулы Виета для кубического уравнения. Если x,y,zx, y, z — корни уравнения

t3+pt2+qt+r=0,t^3 + pt^2 + qt + r = 0,

то, как известно,

{x+y+z=−p,xy+xz+yz=q,xyz=−r.\begin{cases} x + y + z = -p, \\ xy + xz + yz = q, \\ xyz = -r. \end{cases}

Сравним (4) с равенствами, которые мы получили выше для рамануджановских троек косинусов, заключаем, что первая тройка состоит из корней уравнения

t3+12t2−12t−18=0,t^3 + \frac{1}{2} t^2 - \frac{1}{2} t - \frac{1}{8} = 0,

а вторая — из корней уравнения

t3−34t+18=0.t^3 - \frac{3}{4} t + \frac{1}{8} = 0.

Этот этап — самый важный в нашем доказательстве. Он показывает, како-

54

ва природа связи между трионометрическими и алгебраическими выражениями в формулах (2) и (3).

Рассмотрим сумму трех корней…

Поставим теперь задачу так. Дано уравнение
t3+pt2+qt+r=0,t^3 + pt^2 + qt + r = 0,
корнями которого являются числа x,y,zx, y, z. Требуется найти сумму их кубических корней (куб этой суммы обозначим через AA):
x3+y3+z3=A3.\sqrt[3]{x} + \sqrt[3]{y} + \sqrt[3]{z} = \sqrt[3]{A}.
(7)

Оказывается, сумму (7) легко искать вместе с другой суммой:
xy3+xz3+yz3=B3.\sqrt[3]{xy} + \sqrt[3]{xz} + \sqrt[3]{yz} = \sqrt[3]{B}.
(8)

Возвода в куб обе части (7), а затем (8) и учитывая формулы Виета (4), получаем (проверьте это самостояльно):
A=−p+3AB3+3r3,A = -p + 3\sqrt[3]{AB} + 3\sqrt[3]{r},
B=q−3ABr3−3r23,B = q - 3\sqrt[3]{ABr} - 3\sqrt[3]{r^2},
(10)

Умножая (9) на r3\sqrt[3]{r} и складывая с (10), выражаем BB через AA:
B=q−(A+p)r3.B = q - (A + p)\sqrt[3]{r}.
(11)

Подставляя это в (9), получаем уравнение только относительно AA:
A+p−3r3=3A(q−(A+p)r3)3.A + p - 3\sqrt[3]{r} = 3\sqrt[3]{A(q - (A + p)\sqrt[3]{r})}.
(12)

Наконец, возвода обе части уравнения в куб, получаем следующее кубическое уравнение относительно AA:
A3+3(p+6r3)A2+3(p2+3pr3+9r23−9q)A+(p−3r3)3=0.A^3 + 3(p + 6\sqrt[3]{r})A^2 + 3(p^2 + 3p\sqrt[3]{r} + 9\sqrt[3]{r^2} - 9q)A + (p - 3\sqrt[3]{r})^3 = 0. (11)

Упрощение кубического уравнения

Пусть дано кубическое уравнение
x3+3bx2+3cx+d=0.x^3 + 3bx^2 + 3cx + d = 0. (12)

Покажем, как — в некоторых случаях особенно успешно — оно может быть упрощено.

Подставляя в (12) x=z−bx = z - b, получим кубическое уравнение относительно zz, не содержащие z2z^2 (проверьте!). Более того, если bb и cc в уравнения (12) связаны соотношениям
b2=c,b^2 = c,
то в уравнения относительно zz исчезнет и член с z1z^1. В результате уравне-
ние (12) примет вид
z3=b3−d.z^3 = b^3 - d.
Возвращаясь к xx, получим
x=b3−d3−b.x = \sqrt[3]{b^3 - d} - b. (13)

Проверим, в каком случае выполняется условие b2=cb^2 = c для уравнения (11). Сравнивая его с (12), имеем:
b=p+6r3,b = p + 6\sqrt[3]{r},
c=p2+3pr3+9r23−9q,c = p^2 + 3p\sqrt[3]{r} + 9\sqrt[3]{r^2} - 9q,
и условие b2=cb^2 = c принимает вид:
3r23+pr3+q=0.3\sqrt[3]{r^2} + p\sqrt[3]{r} + q = 0. (14)

Тепер насупает волнующий момент: ведь числа p,qp, q и rr известны для уравнения, корнями которых является рамануджановские тройки косинусов (см. формулы (5) и (6))!

Для первой тройки: p=1/2p = 1/2, q=−1/2q = -1/2, r=−1/8r = -1/8; для второй тройки: p=0p = 0, q=−3/4q = -3/4, r=1/8r = 1/8. Подставляя эти значения в (14), получаем числовые равенства! Но в этом случае, согласно (13) (при x=Ax = A, b=p+6r3b = p + 6\sqrt[3]{r}, d=(p−3r3)3d = (p - 3\sqrt[3]{r})^3),
A=b3−d3−b.A = \sqrt[3]{b^3 - d} - b.
В случае первой тройки b=12−3=−52b = \frac{1}{2} - 3 = -\frac{5}{2}, d=(12+32)3=8d = \left(\frac{1}{2} + \frac{3}{2}\right)^3 = 8, так что
A=−3189+52=5−372.A = \frac{-3\sqrt{189} + 5}{2} = \frac{5 - 3\sqrt{7}}{2}.
В случае второй тройки b=3b = 3, d=(−32)3=−278d = \left(-\frac{3}{2}\right)^3 = -\frac{27}{8} и
A=27+2783−3=393−62.A = \sqrt[3]{27 + \frac{27}{8}} - 3 = \frac{3\sqrt[3]{9} - 6}{2}.

Не это как подкоренные выражения правых частей формул Рамануджана (2) и (3). Следовательно, доказательство завершено.

Упражение 2. Положив x3=u\sqrt[3]{x} = u, y3=v\sqrt[3]{y} = v, z3=w\sqrt[3]{z} = w, доказите, что условие (14) при u,v,wu, v, w, не равных 0, эквивалентно условию
u3+v3+w3+(uv)2w+(uw)2v+(vw)2u+3uvw=0.u^3 + v^3 + w^3 + \frac{(uv)^2}{w} + \frac{(uw)^2}{v} + \frac{(vw)^2}{u} + 3uvw = 0. (15)

Из нашей доказательства следует, что условию (15) удовлетворяет кубическе корни рамануджановских

55

косинусов (первой и второй тройки). Непосредственное легко проверить, что ему удовлетворяет также тройка чисел

u=193,v=−293,w=493.u = \sqrt[3]{\frac{1}{9}}, v = -\sqrt[3]{\frac{2}{9}}, w = \sqrt[3]{\frac{4}{9}}.

Таким образом, в основе равенств (1), (2), (3) лежит общее условие (15).

Возможно, Рамануджан знал и другие тройки чисел (u,v,wu, v, w), удовлетворяющие условию (15).

Упражнение 3. Показите, что вместе с числами u,v,wu, v, w условию (15) удовлетворяют: a) числа 1u,1v,1w\frac{1}{u}, \frac{1}{v}, \frac{1}{w};
6) числа u3+uvw3,v3+uvw3,w3+uvw3\sqrt[3]{u^3+uvw}, \sqrt[3]{v^3+uvw}, \sqrt[3]{w^3+uvw}.

Упражнение 4. Доказите, что если выполнен условие (15), то справедливо равенство

(uv+vu+uw+wu+wv)3+6=(uv)3+(vu)3+(uw)3+(wv)3.\left( \frac{u}{v} + \frac{v}{u} + \frac{u}{w} + \frac{w}{u} + \frac{w}{v} \right)^3 + 6 = \left( \frac{u}{v} \right)^3 + \left( \frac{v}{u} \right)^3 + \left( \frac{u}{w} \right)^3 + \left( \frac{w}{v} \right)^3.

Проверьте, например, (16) для тройки чисел u=193,v=−293,w=493u = \sqrt[3]{\frac{1}{9}}, v = -\sqrt[3]{\frac{2}{9}}, w = \sqrt[3]{\frac{4}{9}}. Можно ли, наоборот, вывести (15) из (16)?

Упражнение 5. Доказите равенства:

1∘.sec⁡2π73+sec⁡4π73+sec⁡8π73=8−6733;1^\circ. \sqrt[3]{\sec \frac{2\pi}{7}} + \sqrt[3]{\sec \frac{4\pi}{7}} + \sqrt[3]{\sec \frac{8\pi}{7}} = \sqrt[3]{8-6\sqrt[3]{7}};

2∘.sec⁡2π93+sec⁡4π93+sec⁡8π93=6(93−1)3;2^\circ. \sqrt[3]{\sec \frac{2\pi}{9}} + \sqrt[3]{\sec \frac{4\pi}{9}} + \sqrt[3]{\sec \frac{8\pi}{9}} = \sqrt[3]{6(\sqrt[3]{9}-1)};

3∘.sec⁡2+sec⁡2π73+sec⁡2+sec⁡4π73+sec⁡2+sec⁡8π73=673−103;3^\circ. \sqrt[3]{\sec 2+\sec \frac{2\pi}{7}} + \sqrt[3]{\sec 2+\sec \frac{4\pi}{7}} + \sqrt[3]{\sec 2+\sec \frac{8\pi}{7}} = \sqrt[3]{6\sqrt[3]{7}-10};

4∘.12+cos⁡2π73+4^\circ. \sqrt[3]{\frac{1}{2}+\cos \frac{2\pi}{7}} +