所有自然数之和是-1/12？它在物理学中还有特别的应用？_风闻

前段时间收到一位热心读者的邮件。信中提到，如果认定1-1+1-1……=1/2为事实，就会得出1+2+3+……=-1/12这样难以令人理解的结论。这位读者所提及的自然数求和问题，恰巧在量子理论和弦理论中都起到颇为重要的作用。从真空的能量，到时空的维度数量，都与自然数之和有着微妙的联系。在这个小小的数学魔术里面，甚至还隐含着时空不连续的秘密。

撰文 | 董唯元

数学老师曾告诉我们，只有收敛的级数才能求解无穷项之和，然而在一些科普书中，却会遇到一个神奇的求和：

所有自然数之和怎么会是负数，而且还是个分数？这到底是人性的扭曲，还是道德的沦丧？

把对称轴当作级数和

想要理解这个古怪的结论，我们先来看一个简单的例子：1, -1, 1, -1, ……这个序列可以求无穷项之和吗？意大利数学家格兰迪（Dom Guido Grandi，1671-1742）早在1703年就开始认真琢磨这个问题，可以说，这是所有发散级数求和研究的起点，这个序列后来就被命名为“格兰迪级数”。

意大利数学家格兰迪丨图源：维基百科

也许有小伙伴猜测，这个序列中1和-1的数量既然同样多，那么总和就应该等于0。可惜这样的猜测是错误的。无穷集就像个再生能力很强的变形虫，部分与整体同样多。我们从序列中拿走任意个1或者-1之后，剩下的1和-1数量仍然相同。如果所剩下的1和-1加和为零的话，那么岂不是总的求和仅由先取出的1或-1的数量决定——也就是任意整数。这显然太不靠谱了，看来压根不能依靠比较1和-1的数量来求和。

还有个办法，就是借助收敛的级数寻找线索。我们知道，在|q|<1时，

现在我们粗暴地让q=-1，于是就出现了

这个结果似乎还能令人接受，可是，q=-1毕竟是个“不合法”的条件，我们需要更合理的途径来安抚内心的不安。如果把这个级数的前n项和记做A(n)，我们现在动手来求 A(∞)。

哈！根据这个等式，我们又一次得到了 A(∞)=½ 的结果。这回貌似没有明显违法的地方了，警察来了也不怕。可是，总还是感觉哪里不对。

A(1)=1

A(2)=1-1=0

A(3)=1-1+1=1

…

可以看出A(n)在1和0之间来回跳动，按照极限的定义，

这个极限不存在。当我们写下A(∞)这个符号时，它究竟指代什么，还没有清楚的定义。其实这也是发散级数求和的基础问题：如何定义发散级数的和。

相关的定义不止一种。大体来说，主要有切萨罗求和与阿贝尔求和两类，另外拉马努金和黎曼等人也发展出许多更一般性的理论，中间还掺有源自欧拉的诸多贡献。那些数学语言虽严格，但催眠和劝退的副作用也不小，所以本文不打算纠结于那些从集合论谈起的基础定义，只使用非常“物理”的视角来定义： A(∞)表示所有 A(n)的平均值。

以“平均值”定义的求和方式，使许多发散级数都可以进行求和。例如

1-2+3-4…

这个级数，也可以用同样的方法直接用眼睛瞪出结果。我们用B(n)表示前n项和，即

那么

B(0)=0

B(1)=1

B(2)=1-2=-1

B(3)=1-2+3=2

…

把这些B(n)所对应的点画在图上之后，完全不需要动笔计算，用眼睛就可以直接看出所有B(n)的平均值是1/4。

如果只看图还不放心，我们也可以借助前面 A(∞)=½ 的结论来推算 B(∞)：

稍微调整等式右边的计算顺序，先让前面括号内第n项减去后面括号内第n项，然后再做加和。

即

A(∞)-B(∞)=B(∞)

所以

B(∞)=½A(∞)=¼

把自然数之和变成-1/12的魔术

当然，画出点来再用眼睛直接瞪出结果的方法，有时候也需要一些技巧。就以全体自然数之和为例，我们同样地令C(n)代表前n项和

麻烦出现了！显然C(n)对应的点都分布在一根上扬的抛物线上，没办法直接看出平均值，而且看起来压根就不存在有限的平均值！别急，我们可以继续变形。

这样我们就把每个C(n)对应的点，都拆成上式中绿色项和紫色项所对应的两个“半点”分别画出来，居然又可以凑成两条对称的曲线。

当我们把无限个“半点”都辛苦画完之后。就可以指着两根曲线中间的对称轴宣布：

因为所有C(n)的平均值就等于所有“半点”的平均值，而两根曲线上的“半点”分布完全对称，只在绿色曲线的开头位置差了一个无关紧要的0。

除了看图猜值，我们也可以借助刚才的 B(∞)=¼ 那个结果，再来计算一遍 C(∞)。

调整顺序后

于是得到

所以

其实，能够得到 -1/12 这个结果的途径还有许多。例如神奇的Zeta函数