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Machin类公式


Machin类公式具有以下形式

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

其中 uvk正整数mn非负整数。一些这样的公式可以通过转换 Todd (1949) 表格中 c_n!=0反切线分解为反余切来找到。然而,这仅给出最小项为 +/-1 的 Machin 类公式。

广义 Machin 类公式,其中余切函数的自变量是有理数,包括欧拉的

 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)

甚至混合二次无理数 (Lehmer 1938) 也被考虑过。

一个平凡的单项 Machin 类公式由以下恒等式给出

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

双项 Machin 类公式可以通过写作推导出来

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

并寻找 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 类公式存在 当且仅当 (7) 在整数中有一个解。这等价于找到正整数值 uvk 以及整数值 mn 使得

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

这发生 当且仅当

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

实数 (Borwein 和 Borwein 1987, p. 345)。另一个等价的表述是找到以下方程之一的所有整数解

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

对于 n=3, 5, ....

只有四个这样的双项公式

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)

被称为马青公式 (Borwein 和 Bailey 2003, p. 105)、欧拉类马青公式 (Borwein 和 Bailey 2003, p. 105)、赫尔曼公式赫顿公式。这些公式源自以下恒等式

((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)

三项 Machin 类公式包括高斯类马青公式

 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 曾使用过此公式 (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)

第一个公式归功于 Størmer,第二个公式归功于 Rutherford,最后一个公式出现在 Borwein 和 Bailey (2003, p. 107) 中。然而,还有许多其他这样的公式,Weisstein 共列出了 105 个。

Weisstein 共列出了 90 个五项 Machin 类公式,包括 Borwein 和 Bailey (2003, pp. 62 和 111) 给出的两个公式

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)

其中第一个公式由高中教师 K. Takano 于 1982 年发现,第二个公式 Störmer 早在 1896 年就已知道。

使用三角恒等式,例如

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

可以生成无限个 Machin 类公式序列。因此,系统搜索通常集中在具有特别“好”的属性(例如“效率”)的公式上。

广义 Machin 类公式(可能具有有理数、二次无理数或其他反余切自变量)的效率是使用反余切幂级数计算 pi 所需的时间,幂级数由下式给出

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

并且可以使用 Lehmer 的“测度”公式粗略地表征

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

(Lehmer 1938)。达到给定精度所需的项数大致与 e 成正比,因此较低的 e 值对应于更好的和。目前已知的最佳效率为 1.51244,这是由 6 项级数实现的

 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) 发现。Hwang (1997) 还发现了以下非凡的恒等式

 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正整数,并且

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

下表给出了 Weisstein 汇编中 n 项 Machin 类公式的数量 N(n)。除了先前已知的恒等式(已包括在内),纳入标准如下

1. 首项 <8 位数字:测度 <1.8

2. 首项 = 8 位数字:测度 <1.9

3. 首项 = 9 位数字:测度 <2.0

4. 首项 = 10 位数字:测度 <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
总计15001.51244

另请参阅

欧拉类马青公式, 高斯类马青公式, 格雷果里数, 赫尔曼公式, 赫顿公式, 反余切, 马青公式, 圆周率, Størmer 数, Strassnitzky 公式

使用 Wolfram|Alpha 探索

参考文献

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 Wolfram|Alpha 中被引用

Machin类公式

请引用为

Weisstein, Eric W. “Machin 类公式。” 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/Machin-LikeFormulas.html

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