Валлис формуласы

Валлис формуласы — $~\pi$ (пи) санынан шексіз көбейтінді түрінде өрнектейтін формула:

$~{\frac {\pi }{2}}={\frac {2}{1}}\cdot {\frac {2}{3}}\cdot {\frac {4}{3}}\cdot {\frac {4}{5}}...{\frac {2k}{2k-1}}\cdot {\frac {2k}{2k+1}}$

Тарихы

Бұл өрнекті 1665 жылы ағылшын математигі Джон Валлис (1616 - 1703) “Шексіздік арифметикасы” деген ғылыми еңбегінде

дөңгелектің ауданын есептеуде пайдаланған. Осы формула іс жүзінде қолданыс тапқан шексіз көбейтінділердің алғашқыларының бірі.

Эйлердің синустар шексіз көбейтіндісі негізінде дәлелдеу

${\frac {\sin x}{x}}=\prod _{n=1}^{\infty }\left(1-{\frac {x^{2}}{n^{2}\pi ^{2}}}\right)$

x = π/2 десек:

${\begin{aligned}\Rightarrow {\frac {2}{\pi }}&=\prod _{n=1}^{\infty }\left(1-{\frac {1}{4n^{2}}}\right)\\\Rightarrow {\frac {\pi }{2}}&=\prod _{n=1}^{\infty }\left({\frac {4n^{2}}{4n^{2}-1}}\right)\\&=\prod _{n=1}^{\infty }\left({\frac {2n}{2n-1}}\cdot {\frac {2n}{2n+1}}\right)={\frac {2}{1}}\cdot {\frac {2}{3}}\cdot {\frac {4}{3}}\cdot {\frac {4}{5}}\cdot {\frac {6}{5}}\cdot {\frac {6}{7}}\cdots \end{aligned}}$

Интегралмен дәлелдеу

Келесіні белгілейік:

$I(n)=\int _{0}^{\pi }\sin ^{n}xdx$

(Валлис интегралдары түрі). Бөліктеп интегралдаса:

${\begin{aligned}u&=\sin ^{n-1}x\\\Rightarrow du&=(n-1)\sin ^{n-2}x\cos xdx\\dv&=\sin xdx\\\Rightarrow v&=-\cos x\end{aligned}}$

${\begin{aligned}\Rightarrow I(n)&=\int _{0}^{\pi }\sin ^{n}xdx=\int _{0}^{\pi }udv=uv|_{x=0}^{x=\pi }-\int _{0}^{\pi }vdu\\{}&=-\sin ^{n-1}x\cos x|_{x=0}^{x=\pi }-\int _{0}^{\pi }-\cos x(n-1)\sin ^{n-2}x\cos xdx\\{}&=0-(n-1)\int _{0}^{\pi }-\cos ^{2}x\sin ^{n-2}xdx,n>1\\{}&=(n-1)\int _{0}^{\pi }(1-\sin ^{2}x)\sin ^{n-2}xdx\\{}&=(n-1)\int _{0}^{\pi }\sin ^{n-2}xdx-(n-1)\int _{0}^{\pi }\sin ^{n}xdx\\{}&=(n-1)I(n-2)-(n-1)I(n)\\{}&={\frac {n-1}{n}}I(n-2)\\\Rightarrow {\frac {I(n)}{I(n-2)}}&={\frac {n-1}{n}}\\\Rightarrow {\frac {I(2n-1)}{I(2n+1)}}&={\frac {2n+1}{2n}}\end{aligned}}$

Бұл нәтиже төменде қолданылады:

${\begin{aligned}I(0)&=\int _{0}^{\pi }dx=x|_{0}^{\pi }=\pi \\I(1)&=\int _{0}^{\pi }\sin xdx=-\cos x|_{0}^{\pi }=(-\cos \pi )-(-\cos 0)=-(-1)-(-1)=2\\I(2n)&=\int _{0}^{\pi }\sin ^{2n}xdx={\frac {2n-1}{2n}}I(2n-2)={\frac {2n-1}{2n}}\cdot {\frac {2n-3}{2n-2}}I(2n-4)\end{aligned}}$

Процесті қайталаса,

$={\frac {2n-1}{2n}}\cdot {\frac {2n-3}{2n-2}}\cdot {\frac {2n-5}{2n-4}}\cdot \cdots \cdot {\frac {5}{6}}\cdot {\frac {3}{4}}\cdot {\frac {1}{2}}I(0)=\pi \prod _{k=1}^{n}{\frac {2k-1}{2k}}$

$I(2n+1)=\int _{0}^{\pi }\sin ^{2n+1}xdx={\frac {2n}{2n+1}}I(2n-1)={\frac {2n}{2n+1}}\cdot {\frac {2n-2}{2n-1}}I(2n-3)$

Процесті қайталаса,

$={\frac {2n}{2n+1}}\cdot {\frac {2n-2}{2n-1}}\cdot {\frac {2n-4}{2n-3}}\cdot \cdots \cdot {\frac {6}{7}}\cdot {\frac {4}{5}}\cdot {\frac {2}{3}}I(1)=2\prod _{k=1}^{n}{\frac {2k}{2k+1}}$

$\sin ^{2n+1}x\leq \sin ^{2n}x\leq \sin ^{2n-1}x,0\leq x\leq \pi$

$\Rightarrow I(2n+1)\leq I(2n)\leq I(2n-1)$

$\Rightarrow 1\leq {\frac {I(2n)}{I(2n+1)}}\leq {\frac {I(2n-1)}{I(2n+1)}}={\frac {2n+1}{2n}}$, жоғарыдағы нәтиже бойынша.

Жинақталу теоремасы негізінде,

$\Rightarrow \lim _{n\rightarrow \infty }{\frac {I(2n)}{I(2n+1)}}=1$

$\lim _{n\rightarrow \infty }{\frac {I(2n)}{I(2n+1)}}={\frac {\pi }{2}}\lim _{n\rightarrow \infty }\prod _{k=1}^{n}\left({\frac {2k-1}{2k}}\cdot {\frac {2k+1}{2k}}\right)=1$

$\Rightarrow {\frac {\pi }{2}}=\prod _{k=1}^{\infty }\left({\frac {2k}{2k-1}}\cdot {\frac {2k}{2k+1}}\right)={\frac {2}{1}}\cdot {\frac {2}{3}}\cdot {\frac {4}{3}}\cdot {\frac {4}{5}}\cdot {\frac {6}{5}}\cdot {\frac {6}{7}}\cdot \cdots$