沃利斯乘积

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沃利斯乘積,又称沃利斯公式,由數學家約翰·沃利斯在1655年时发现。

n=12n2n12n2n+1=2123434565678789=π2.

也可以写为:(2n)!!(2n1)!!πn(n)

當時證明

今日多數的微積分教科書透過比較0πsinnxdxn是奇數或是偶數,甚至是接近無窮大的情況下,發現即使將n增加一就會發生不一樣的情形。在那時,微積分尚未存在,而且有關數學收斂的分析工具也還未俱全,所以完成這證明較現今有相當的難度。從現在來看,從欧拉公式中的正弦展開式得到此乘積是必然的結果。

sin(x)x=(1x2π2)(1x24π2)(1x29π2)=n=1(1x2n2π2),

x = π/2時

2π=n=1(114n2)=(1122)(11224)(11229)
π2=n=1(4n24n21)=n=1(2n)(2n)(2n1)(2n+1)=2123434565678789

嚴謹證明

先考慮不定積分sinnxdx

sinnxdx

=sinn1xdcosx

=cosxsinn1x+cosxdsinn1x

=cosxsinn1x+(n1)sinn2xcos2xdx

=cosxsinn1x+(n1)sinn2x(1sin2x)dx

=cosxsinn1x+(n1)sinn2xdx(n1)sinnxdx

sinnxdx=1ncosxsinn1x+n1nsinn2xdx

0π2sinnxdx=n1n0π2sinn2xdx

對整數m

0π2sin2mxdx

=2m12m0π2sin2m2xdx

=2m12m2m32m20π2sin2m4xdx

=...

=2m12m2m32m2...120π2sin0xdx

=2m12m2m32m2...12π2

另一方面

0π2sin2m+1xdx

=2m2m+10π2sin2m1xdx

=2m2m+12m22m10π2sin2m3xdx

=...

=2m2m+12m22m1...230π2sinxdx

=2m2m+12m22m1...23

兩式相除得

0π2sin2mxdx0π2sin2m+1xdx=2m12m2m32m2...12π22m2m+12m22m1...23

π2=21234345...2m2m12m2m+10π2sin2mxdx0π2sin2m+1xdx=0π2sin2mxdx0π2sin2m+1xdxn=1m2n2n12n2n+1

又因為

1=0π2sin2m+1xdx0π2sin2m+1xdx<0π2sin2mxdx0π2sin2m+1xdx<0π2sin2m1xdx0π2sin2m+1xdx=2m+12m


夾擠定理

limm1=limm2m+12m=1

π2=n=12n2n12n2n+1=2123434565678789

尋找 ζ(2)

我們可將上述的正弦乘積式化為泰勒级数

x(1x2π2)(1x24π2)(1x29π2)=x13!x3+15!x5