主題
Search

Machin類公式


Machin類公式具有以下形式

 mcot^(-1)u+ncot^(-1)v=1/4kpi,
(1)

其中 uvk正整數mn非負整數。一些這樣的公式可以透過轉換 Todd (1949) 表格中 c_n!=0反切線分解為反餘切來找到。然而,這僅給出最小項為 +/-1 的 Machin 類公式。

廣義 Machin 類公式,其中餘切函式的自變數是有理數,包括尤拉的

 1/4pi=5tan^(-1)(1/7)+2tan^(-1)(3/(79))
(2)

(Lehmer 1938, Wetherfield 1996),平方根例如

 1/2pi=2tan^(-1)(1/(sqrt(2)))+tan^(-1)(1/(sqrt(8))),
(3)

甚至混合二次無理數 (Lehmer 1938) 也被考慮過。

一個平凡的單項 Machin 類公式由以下恆等式給出

 1/4pi=cot^(-1)1.
(4)

雙項 Machin 類公式可以透過寫作推匯出來

 cot^(-1)z=1/(2i)ln((z+i)/(z-i))
(5)

並尋找 a_ku_k 使得

 sum_(k=1)^2a_kcot^(-1)u_k=1/4pi,
(6)

因此

 product_(k=1)^2((u_k+i)/(u_k-i))^(a_k)=e^(2pii/4)=i.
(7)

Machin 類公式存在 當且僅當 (7) 在整數中有一個解。這等價於找到正整數值 uvk 以及整數值 mn 使得

 mcot^(-1)u+ntan^(-1)v=1/4kpi,
(8)

這發生 當且僅當

 (1-i)^k(u+i)^m(v+i)^n
(9)

實數 (Borwein 和 Borwein 1987, p. 345)。另一個等價的表述是找到以下方程之一的所有整數解

1+x^2=2y^n
(10)
1+x^2=y^n
(11)

對於 n=3, 5, ....

只有四個這樣的雙項公式

1/4pi=4tan^(-1)(1/5)-tan^(-1)(1/(239))
(12)
1/4pi=tan^(-1)(1/2)+tan^(-1)(1/3)
(13)
1/4pi=2tan^(-1)(1/2)-tan^(-1)(1/7)
(14)
1/4pi=2tan^(-1)(1/3)+tan^(-1)(1/7),
(15)

被稱為馬青公式 (Borwein 和 Bailey 2003, p. 105)、尤拉類馬青公式 (Borwein 和 Bailey 2003, p. 105)、赫爾曼公式赫頓公式。這些公式源自以下恆等式

((5+i)/(5-i))^4((239+i)/(239-i))^(-1)=i
(16)
((2+i)/(2-i))((3+i)/(3-i))=i
(17)
((2+i)/(2-i))^2((7+i)/(7-i))^(-1)=i
(18)
((3+i)/(3-i))^2((7+i)/(7-i))=i.
(19)

三項 Machin 類公式包括高斯類馬青公式

 1/4pi=12cot^(-1)18+8cot^(-1)57-5cot^(-1)239,
(20)

Strassnitzky 公式

 1/4pi=cot^(-1)2+cot^(-1)5+cot^(-1)8,
(21)

Dase 曾使用過此公式 (Borwein 和 Bailey 2003, p. 106),以及以下公式

1/4pi=6cot^(-1)8+2cot^(-1)57+cot^(-1)239
(22)
1/4pi=4cot^(-1)5-cot^(-1)70+cot^(-1)99
(23)
1/4pi=8cot^(-1)10-cot^(-1)239-4cot^(-1)515
(24)
1/4pi=5cot^(-1)7+4cot^(-1)53+2cot^(-1)4443
(25)
1/4pi=3cot^(-1)4+cot^(-1)20+cot^(-1)1985
(26)

第一個公式歸功於 Størmer,第二個公式歸功於 Rutherford,最後一個公式出現在 Borwein 和 Bailey (2003, p. 107) 中。然而,還有許多其他這樣的公式,Weisstein 共列出了 105 個。

Weisstein 共列出了 90 個五項 Machin 類公式,包括 Borwein 和 Bailey (2003, pp. 62 和 111) 給出的兩個公式

1/4pi=12cot^(-1)49+32cot^(-1)57-5cot^(-1)239+12cot^(-1)110443
(27)
1/4pi=44cot^(-1)57+7cot^(-1)239-12cot^(-1)682+24cot^(-1)12943,
(28)

其中第一個公式由高中教師 K. Takano 於 1982 年發現,第二個公式 Störmer 早在 1896 年就已知道。

使用三角恆等式,例如

 cot^(-1)x=2cot^(-1)(2x)-cot^(-1)(4x^3+3x),
(29)

可以生成無限個 Machin 類公式序列。因此,系統搜尋通常集中在具有特別“好”的屬性(例如“效率”)的公式上。

廣義 Machin 類公式(可能具有有理數、二次無理數或其他反餘切自變數)的效率是使用反餘切冪級數計算 pi 所需的時間,冪級數由下式給出

 pi=a_1cot^(-1)b_1+a_2cot^(-1)b_2+...,
(30)

並且可以使用 Lehmer 的“測度”公式粗略地表徵

 e=sum1/(log_(10)b_i)
(31)

(Lehmer 1938)。達到給定精度所需的項數大致與 e 成正比,因此較低的 e 值對應於更好的和。目前已知的最佳效率為 1.51244,這是由 6 項級數實現的

 1/4pi=183cot^(-1)239+32cot^(-1)1023-68cot^(-1)5832 
 +12cot^(-1)110443-12cot^(-1)4841182-100cot^(-1)6826318
(32)

由 C.-L. Hwang (1997) 發現。Hwang (1997) 還發現了以下非凡的恆等式

 1/4pi=Pcot^(-1)2-Mcot^(-1)3+Lcot^(-1)5+Kcot^(-1)7+(N+K+L-2M+3P-5)cot^(-1)8+(2N+M-P+2-L)cot^(-1)18-(2P-3-M+L+K-N)cot^(-1)57-Ncot^(-1)239,
(33)

其中 KLMNP正整數,並且

 1/4pi=(N+2)cot^(-1)2-Ncot^(-1)3-(N+1)cot^(-1)N.
(34)

下表給出了 Weisstein 彙編中 n 項 Machin 類公式的數量 N(n)。除了先前已知的恆等式(已包括在內),納入標準如下

1. 首項 <8 位數字:測度 <1.8

2. 首項 = 8 位數字:測度 <1.9

3. 首項 = 9 位數字:測度 <2.0

4. 首項 = 10 位數字:測度 <2.0

nN(n)mine
110
241.85113
31061.78661
4391.58604
5901.63485
61201.51244
71131.54408
8181.65089
941.72801
10781.63086
11341.6305
121881.67458
13371.71934
1451.75161
15241.77957
16511.81522
1751.90938
185701.87698
1911.94899
20111.95716
2111.98938
總計15001.51244

另請參閱

尤拉類馬青公式, 高斯類馬青公式, 格雷果裡數, 赫爾曼公式, 赫頓公式, 反餘切, 馬青公式, 圓周率, Størmer 數, Strassnitzky 公式

使用 探索

參考文獻

Arndt, J. "Arctan Formulas." http://www.jjj.de/hfloat/jjf.ps.Arndt, J. "Big ArcTan Formula Bucket." http://www.jjj.de/hfloat/fox.ps.Ball, W. W. R. and Coxeter, H. S. M. Mathematical Recreations and Essays, 13th ed. New York: Dover, pp. 347-359, 1987.Berstel, J.; Pin, J.-E.; and Pocchiola, M. Mathématiques et informatique: Problémes résolus. New York: McGraw-Hill, 1991.Borwein, J. and Bailey, D. Mathematics by Experiment: Plausible Reasoning in the 21st Century. Wellesley, MA: A K Peters, 2003.Borwein, J. M. and Borwein, P. B. Pi & the AGM: A Study in Analytic Number Theory and Computational Complexity. New York: Wiley, 1987.Castellanos, D. "The Ubiquitous Pi. Part I." Math. Mag. 61, 67-98, 1988.Conway, J. H. and Guy, R. K. The Book of Numbers. New York: Springer-Verlag, pp. 241-248, 1996.Gourdon, X. and Sebah, P. "Collection of Series for pi." http://numbers.computation.free.fr/Constants/Pi/piSeries.html.Hwang, C.-L. "More Machin-Type Identities." Math. Gaz. 81, 120-121, 1997.Lehmer, D. H. "On Arccotangent Relations for pi." Amer. Math. Monthly 45, 657-664, 1938.Lewin, L. Polylogarithms and Associated Functions. New York: North-Holland, 1981.Lewin, L. Structural Properties of Polylogarithms. Providence, RI: Amer. Math. Soc., 1991.Nielsen, N. Der Euler'sche Dilogarithms. Leipzig, Germany: Halle, 1909.Séroul, R. "Machin Formulas." §9.3 in Programming for Mathematicians. Berlin: Springer-Verlag, pp. 240-252, 2000.Størmer, C. "Sur l'Application de la Théorie des Nombres Entiers Complexes à la Solution en Nombres Rationnels x_1, x_2, ..., c_1, c_2, ..., k de l'Equation...." Archiv for Mathematik og Naturvidenskab B 19, 75-85, 1896.Todd, J. "A Problem on Arc Tangent Relations." Amer. Math. Monthly 56, 517-528, 1949.Wetherfield, M. "The Enhancement of Machin's Formula by Todd's Process." Math. Gaz. 80, 333-344, 1996.Wetherfield, M. "Machin Revisited." Math. Gaz. 81, 121-123, 1997.Update a linkWilliams, R. "Arctangent Formulas for Pi." http://www.cacr.caltech.edu/~roy/upi/pi.formulas.html

在 中被引用

Machin類公式

請引用為

Weisstein, Eric W. “Machin 類公式。” 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/Machin-LikeFormulas.html

主題分類