Script, 2000, 10 Pages
Author: Hermann Wurster
Subject: Mathematics - Number Theory
Details
Tags: Wallissche, Produkt
Year: 2000
Pages: 10
Language: German
ISBN (E-book): 978-3-638-99981-6
File size: 69 KB
Der englische Mathematiker John Wallis entwickelte 1655 das Wallissche Produkt zur Näherung der Kreiszahl Pi.
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1
Das Wallissche Produkt
kann wie folgt geschrieben werden:
2
= 2
4 n
2
4 n
1
n
1
-
=
2
A
Integral
das
betrachten
Wir
=
: m
sin x dx
m
0
2
2
gilt
Es
A
:
=
m
sin x
dx
sinx sin
x dx
m
=
m 1
-
0
0
Integr.
Part.
u(x)
:
= sin
m - 1x
)
u(x
,
= (m
-1)sin m-2 x cosx
v(x) = -
cosx
)
v(x = sinx
2
A =
-
m
[
sin m 1
- x ( cos x)] 2
-
0
(m- )1 sin
m-2 x osx
c
(-cosx) dx
0
2
A =
0
+
m
(
m - )
1 sin m-2 x cos2 x dx
0
2
A =
-
m
(
m - )
1 sin m-2x (1 sin2 x) dx
0
2
A =
-
m
(
m - )
1 (sin m-2x sin m x) dx
0
2
2
m-2
m
A =
-
m
(
m - )
1 sin
x dx
( m- )1 sin x dx
0
0
A =
m
(
m - )
1 A
m-2
(
-
m - )
1 A
m
2
m -1
m + 1
A
=
A
A
+
=
A
m
m-2
m 2
m
m
m + 2
Beweis mit Induktion:
2
2
A
= sin0x dx
= dx =
=
0
[ x]2
0
2
0
0
2
A
= sin1x dx =
=
1
[ -cosx]2
1
0
0
(2m- )1(2m- )3531
Gerade
A
:
=
2m
2m
(2m - 2)
6 4 2
2m
(2m - 2)6 4 2
Ungerade
A
:
+
=
2m 1
(2m+ )1(2m- )
1 5 3 1
A
+
-
-
2m 1
(2m 2m) (2m 2) (2m 2) (6 6) (4 4) (2 2)
=
A
+
-
-
2m
(2m )1 ( 2m )1 (2m )1 (5 5) (3 )3 (1 )
1
gilt
Es
sin
:
2m+2 x sin
2m 1
+ x sin
2m
x
für x
0,
m
,
2
2
2
2
sin2m+2
dx
sin2m 1+
dx
sin2mdx
0
0
0
A
+
A
+
A
2m 2
2m 1
2m
2m + 2 -1
2m + 1
A
:
Weiter
+
=
A
=
A
2m 2
2m
2m
2m + 2
2m + 2
A
2m
+
+1
A
2m
+
+1
2m 2
=
lim
2m 2
=
=
1
A
2m + 2
m
A
2m + 2
2m
2m
3
A
+
A
+
A
2m 2
2m 1
2m
A
A
A
+
+
2m 2 2m 1
2m
A
A
A
2m
2m
2m
A
A
A
+
+
lim
2m 2
lim
2m 1
lim
2m
m
A
m
A
m A
2m
2m
2m
A
+
1
lim
2m 1
1
m
A 2m
A
+
für
gilt
Also
lim
2m 1 =
1
m
A 2m
m
Für
gilt
:
A
+
-
-
2m 1
(2m 2m) (2m 2) (2m 2) (6 6) (4 4) (2 2)
lim
= lim
=
m
A
m
+
-
-
2m
(2m )1 ( 2m )1 (2m )1 (5 5) (3 3) (1 ) 1
1
2
(
2m 2m) (
2m - 2) (2m - 2) (6 6) (4 4) (2 2)
= 2
lim
m
(2m+ )1( 2m- )1 ( 2m- )1(2m-3)(75)(53)(3 )
1
(22)(44)(66)(2(n - )12(n - )1(2n2n)
= 2
lim
m
( 13)( 35) (2(n - )12(n - )1(2n - )1(2n + )1
2n 2n
=
2
n 1
= (2n + )
1 ( n
2 - )
1
4
Vorbemerkung für den Beweis der Stirlingschen Formel:
Die Trapezregel
Satz :
f
Sei
[ : ]
0,1
Funktion
erbare
differenzi
stetig
zweimal
eine
IR
:
ein
für
gilt
Dann
[ ]
1
,
0
:
1
1
f(x)dx
=
(f(0)+f(1)) 1
-
f ()
2
12
0
1
1
wobei
:
f ( = 1
)
x(1- f
x)
=
(x)dx R
:
12
2
0
f (x)
f (1)-
f (0) y = f(x) Für konvexe Funktionen:
f (
x) 0
0
1 x
1
2
g
Sei
=
(
x 1- x) x
x
1
Beweis:
=
-
g
,
=
g
,
x
-
= -
1
2
2
2
2
1
1
1
f (x dx
)
= -
dx
f(x)
(-1)
= - g
dx
f(x)
0
0
0
1
= - [
g
f(x)
(x)
]1 + f g
(x)
dx
(x)
0
0
1
= - [f(1)
g (1)
- f(0) g (0)
]+ f g
(x)
dx
(x)
0
1
1
=
[ f(0)
+ f(1)]
+ f g
(x)
dx
(x)
2
0
5
1
1
f (
x g
)
dx
(x)
=
[ f (x g(x)
)
]1 - f
dx
g(x)
(x)
0
0
0
1
= [ f
f
-
g(x)
(1)
g(0)
(0)
] - f
dx
g(x)
(x)
0
1
=
-
0
-
0
f
dx
g(x)
(x)
0
b
b
MWS
:
dx
g(x)
f(x)
= f(
) g(x)
a
a
1
= f
-
(
) g
dx
(x)
0
1
x2 x3
= f
-
(
)
-
4
6
0
1 1
1
= f
-
(
)
-
=
-
f
(
)
4
6
12
1
1
gilt
Es
:
dx
f(x)
=
[
f(0) + f(1)
] 1
-
f
(
)
2
12
0
6
Die Stirlingsche Formel
Die Stirlingsche Formel beschreibt das asymptotische Verhalten der Fakultät von natürlichen
Zahlen n (n!) für grosse n.
(Stirling, James: schottischer Mathematiker, 1692 1770)
Def .
a
Folgen
Zwei
:
b
und
(n
heissen
IN)
asymptotis
gleich
ch
(a
b
~
),
n
n
n
n
a
gilt
falls
lim
:
n =
,
1
n bn
(a
wobei
(b
und
)
müssen.
en
konvergier
nicht
)
n
n
Satz
Verhalten
che
asymptotis
das
hat
Fakultät
Die
:
n
n
~
n!
2 n
e
2
n! e
n
1
Daraus folgt für :
~
n
grosse
für
nn
2n
n = 1 : 3,694528
n = 10 :
3,1943835
n = 20 :
3,1767853
n = 30 :
3,1591127
n = 40 :
3,1546803
n = 50 :
3,1520848
n
:
Beweis:
1
g
Sei
(x :
)
=
(
x 1 - x)
IR
,
x
IR,
[ ]
0,1
2
:
f(x)
= ln x
k 1
+
1
dx
ln x
=
( k
ln + ln(k
+1)) 1
+
f
(
)
k
k +1
2
12
k
k
k
7
k
über
Summation
=
n
,
...
1,
-
1
n
n 1
-
1
n 1
-
dx
ln x
=
( k
ln + ln(k
+1)) 1
+
f (
)
k
k 1
= 2
12 k 1
1
=
1
1 n 1-
=
1
(ln
+
2
ln
+
2
ln
+
3
ln
+
3
ln
+
...
+
(n
ln
-
1) +
n)
ln
+
f (
)
2
12
k
k 1
=
1
n
n 1
-
=
(
n
ln
-
1
ln
)
1
+
k
ln
+
f (
)
2
k 1
=
12
k
k 1
=
n
dx
ln x
=
[ -x + ln x
x
]n = - n + n
ln
n
+1
1
1
1
n
n 1
-
-
n +
n
ln
n
+
1
=
(
n
ln
-
1
ln
)
1
+
k
ln
+
f (
)
2
k 1
=
12
k
k 1
=
n
1
1 n 1
-
k
ln
=
-
n
+ n
+
n
ln
+ 1
-
f (
)
k 1
=
2
12
k
k 1
=
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