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公式

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公式

nn\to\infty时:

0π2sinnxdx=0π2cosnxdx={n1nn3n2...3412π2 (if n is even)n1nn3n2...2523  (if n is odd)={(n1)!!n!!π2 (if n is even)(n1)!!n!! (if n is odd) \begin{align*} \int^{\dfrac{\pi}{2}}_{0}\sin^{n} xdx&=\int^{\dfrac{\pi}{2}}_{0}\cos^{n} x dx\\ & = \begin{cases} \dfrac{n-1}{n}\cdot \dfrac{n-3}{n-2}...\dfrac{3}{4}\cdot \dfrac{1}{2}\cdot \dfrac{\pi}{2} \ &\text{(if n is even)}\\ \dfrac{n-1}{n}\cdot \dfrac{n-3}{n-2}...\dfrac{2}{5}\cdot \dfrac{2}{3}\ \ &\text{(if n is odd)}\\ \end{cases}\\ &= \begin{cases} \dfrac{(n-1)!!}{n!!}\cdot \dfrac{\pi}{2} \ & \text{(if n is even)}\\ \dfrac{(n-1)!!}{n!!} \ &\text{(if n is odd)}\\ \end{cases} \end{align*}

Wikipedia

Wallis 公式是用于求解圆周率 π\pi 的无穷乘积形式的公式, 公式中只有乘除运算, 形式上十分简单.

π=2n=14n24n21 \pi = 2 \prod_{n=1}^\infty \frac{4n^2}{4n^2 - 1}

这个公式可以通过分析 sinx\sin xx=π2x = \frac{\pi}{2} 附近的行为并将其与积分相联系来推导.

推导

1. sinx\sin x 的无穷乘积展开

首先, 我们知道 sinx\sin x 的无穷乘积展开是:

sinx=xn=1(1x2n2π2) \sin x = x \prod_{n=1}^\infty \left(1 - \frac{x^2}{n^2 \pi^2}\right)

2. 使用积分形式

利用 sinx\sin x 的积分, 我们可以获得一个关于 π\pi 的表达式. 特别是, 我们关注以下积分的极限形式:

0π/2sin2nxdx \int_0^{\pi/2} \sin^{2n} x \, dx

该积分随 nn 增大而逐渐接近一个特定的值. 对于大的 nn, 这个积分可以近似为:

0π/2sin2nxdxπ2(2n1)!!(2n)!! \int_0^{\pi/2} \sin^{2n} x \, dx \approx \frac{\pi}{2} \frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}

其中 (2n)!!(2n)!! 表示双阶乘, 即 2n(2n2)22n \cdot (2n-2) \cdot \ldots \cdot 2, 而 (2n1)!!(2n-1)!! 表示 13(2n1)1 \cdot 3 \cdot \ldots \cdot (2n-1).

3. 极限形式和 π\pi 的关系

随着 nn \to \infty, 我们有:

limn(2n1)!!(2n)!!n=1π \lim_{n \to \infty} \frac{(2n-1)!!}{(2n)!!} \cdot \sqrt{n} = \frac{1}{\sqrt{\pi}}

这个结果基于 Stirling 的近似.

4. 使用 Wallis 公式求 π\pi

Wallis 公式可以通过上述积分和 sinx\sin x 的无穷乘积展开得到. 如果我们计算 sin2nx\sin^{2n} xx=π/2x = \pi/2 附近的表现, 并将其与 π\pi 关联, 我们可以得到 π\pi 的 Wallis 乘积表达式. 具体地, 有:

n=14n24n21=π2 \prod_{n=1}^\infty \frac{4n^2}{4n^2 - 1} = \frac{\pi}{2}

5. 最终的 Wallis 公式

因此, Wallis 公式可以表示为:

π=2n=14n24n21 \pi = 2 \prod_{n=1}^\infty \frac{4n^2}{4n^2 - 1}

这个公式不仅在数学历史上具有重要意义, 而且对理解 π\pi 的性质及其计算提供了一种独特的方法.