[Math]Pi(2)

接着前一篇,[Math]Pi(1),下面继续介绍Leonard Euler求Pi的第二个公式。

其实这个公式也是来源一个古老的问题,Basel problem .

证法1.麦克劳伦级数和零点式

sin(x)的 Maclaurin Series为:

$$ \because \sin(x) = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \frac{x^7}{7!} + \cdots $$

再把 $\frac{\sin(x)}{x}$ 表示成零点处的多项式:

\begin{align*}
\therefore \frac{\sin(x)}{x} &= 1 - \frac{x^2}{3!} + \frac{x^4}{5!} - \frac{x^6}{7!} + \cdots \\
&=\left(1 - \frac{x}{\pi}\right)\left(1 + \frac{x}{\pi}\right)\left(1 - \frac{x}{2\pi}\right)\left(1 + \frac{x}{2\pi}\right)\left(1 - \frac{x}{3\pi}\right)\left(1 + \frac{x}{3\pi}\right) \cdots \\
&= \left(1 - \frac{x^2}{\pi^2}\right)\left(1 - \frac{x^2}{4\pi^2}\right)\left(1 - \frac{x^2}{9\pi^2}\right) \cdots
\end{align*}

对比前面两式中的x2项的系数有:

$$-\left(\frac{1}{\pi^2} + \frac{1}{4\pi^2} + \frac{1}{9\pi^2} + \cdots \right) =-\frac{1}{\pi^2}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}=-\frac{1}{3!}$$
\begin{equation}\label{E3} \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}. \end{equation}

证法2.傅里叶级数

1.Fourier series

$$ f(x)=\dfrac{a_{0}}{2}+\sum_{n=1}^{\infty }(a_{n}\cos nx+b_{n}\sin x),-\pi \leq x\leq \pi $$
其中,
\begin{align*}
a_{n}&=\dfrac{1}{\pi }\int_{-\pi }^{\pi }f(x)\cos nx\;dx\qquad n=0,1,2,3,...,\\
b_{n}&=\dfrac{1}{\pi }\int_{-\pi }^{\pi }f(x)\sin nx\;dx\qquad n=1,2,3,... .
\end{align*}

2. f(x) = x2的傅里叶级数

当n = 0,

$$a_{0}=\dfrac{1}{\pi }\int_{-\pi }^{\pi }x^{2}dx=\dfrac{2}{\pi }\int_{0}^{\pi
}x^{2}dx=\dfrac{2\pi ^{2}}{3}.$$

当n = 1, 2, 3, . . . ,

\begin{align*}
a_{n}&=\dfrac{1}{\pi }\int_{-\pi }^{\pi }x^{2}\cos nx\;dx=\dfrac{2}{\pi }\int_{0}^{\pi }x^{2}\cos nx\;dx\\
&=\dfrac{2}{\pi }\times \dfrac{2\pi }{n^{2}}(-1)^{n}=(-1)^{n}\dfrac{4}{n^{2}}\\
b_{n}&=\dfrac{1}{\pi }\int_{-\pi }^{\pi }f(x)\sin nx\;dx=0
\end{align*}

$$ \because \int\nolimits_0^{2\pi} x^2\cos nx\;dx=\left[\dfrac{2x}{n^{2}}\cos nx+\left( \frac{x^{2}}{n}-\dfrac{2}{n^{3}}\right) \sin nx\right]|_0^{2\pi}=\dfrac{2\pi }{n^{2}}(-1)^{n}.$$

因此,

\begin{equation}
f(x)=\dfrac{\pi ^{2}}{3}+\sum_{n=1}^{\infty }\left( (-1)^{n}\dfrac{4}{n^{2}}\cos nx\right)
\end{equation}

将f(π) = π2代入上式有:

\begin{align*}
f(\pi)&=\dfrac{\pi ^{2}}{3}+\sum_{n=1}^{\infty }\left( (-1)^{n}\dfrac{4}{n^{2}}\cos n\pi\right)\\
&=\dfrac{\pi ^{2}}{3}+4\sum_{n=1}^{\infty }\left( (-1)^{n}(-1)^{n}\dfrac{1}{n^{2}}\right)\\
&=\dfrac{\pi ^{2}}{3}+4\sum_{n=1}^{\infty }\dfrac{1}{n^{2}}.
\end{align*}

最后,我们就可以得到:

\begin{equation}\label{E5}
\sum_{n=1}^{\infty }\dfrac{1}{n^{2}}=\dfrac{\pi ^{2}}{4}-\dfrac{\pi ^{2}}{12}=\dfrac{\pi ^{2}}{6}
\end{equation}

reference

  1. Basel problem

  2. StackOverFlow:Different Way to Compute basel problem

[Math]Pi(2)的更多相关文章

  1. 【转载】 C#使用Math.PI常量来表示圆周率

    在C#中计算圆形面积的时候,我们时常会用到圆周率这个变量,圆周率我们一般定义为十进制decimal类型变量,圆周率的值为3.1415926535等一个近似值,其实在C#的数值计算类Math类中,有专门 ...

  2. [Math]Pi(1)

    数学知识忘地太快,在博客记录一下pi的生成. 100 Decimal places 3.14159265358979323846264338327950288419716939937510582097 ...

  3. java中常用到的math方法(Math.PI、Math.random()、Math.abs(double)、Math.floor(double)、Math.ceil(double)、Math.round(double))

    public class MathDemo { public static void main(String args[]){ /** * abs求绝对值 */ System.out.println( ...

  4. JavaScript Math和Number对象

    目录 1. Math 对象:数学对象,提供对数据的数学计算.如:获取绝对值.向上取整等.无构造函数,无法被初始化,只提供静态属性和方法. 2. Number 对象 :Js中提供数字的对象.包含整数.浮 ...

  5. Java学习笔记-Math类

    并非所有的类都需要main方法.Math类和JOptionPane类都没有main方法.这些类中所包含的方法主要是为了供其他类使用. package welcome; public class Tes ...

  6. JS学习笔记10之Math对象

    -->Math对象 常用属性和方法-->使用Math对象制作相应的效果 Math对象用于执行数学任务 一.Math对象的属性: 二.Math对象的方法: 三.常用属性和方法: Math.P ...

  7. 常用API——Math对象型、Number型

    Math.abs(num) : 返回num的绝对值 Math.acos(num) : 返回num的反余弦值 Math.asin(num) : 返回num的反正弦值 Math.atan(num) : 返 ...

  8. HTML 学习笔记 JavaScript (Math和Number对象)

    标签: Math对象:数学对象,提供对数据的数学计算.如:获取绝对值,向上取整等.无构造函数,无法被初始化,只提供静态属性和方法. Number对象:Js中提供的数字的对象.包含整数,浮点数等等.并提 ...

  9. js入门篇之Math对象

    Math对象用于执行数学任务 Math对象的属性: Math对象的方法: 常用属性和方法: Math.PI ----------------返回圆周率3.14 ... Math.ceil(x) --- ...

随机推荐

  1. Spring容器基础ClassPathXmlApplicationContext(一起看源码)

    ApplicationContext相比较于BeanFactory,扩展了很多功能.也就是说前者包含了后者的所有功能.使用前者加载XML的方式:ApplicationContext app=new C ...

  2. maven下载与配置环境变量

    1.打开maven官网下载 http://maven.apache.org/download.cgi 下载 解压(这里博主放在D盘下) 2.配置环境变量 验证是否配置成功 3.本地仓库配置

  3. Docker 学习记录

    docker logs 查看日志 docker logs  容器id docker logs -f 容器id 这次命令后面添加了一个新的标识 -f. 和 tail -f 类似, docker logs ...

  4. grafana二次开发

    grafana官方地址: https://github.com/grafana/grafana 开发文档:http://docs.grafana.org/project/building_from_s ...

  5. keepalived与nginx安装

    目的: 当用户请求访问时,会通过nginx来访问web服务应用,因此我们必须要保证nginx的高可用,要保证nginx的高可用,我们需要通过keepalived来监控nginx,并对外提供1个虚拟的v ...

  6. nmap 端口扫描王,查看端口是否可访问,是否对外开放

    NMap,也就是Network Mapper,最早是Linux下的网络扫描和嗅探工具包. 1 安装 apt-get install nmap 2 使用,查看ip下所有对外的端口 $ sudo nmap ...

  7. JavaScript清除字符串前后空格

    一.通过循环检查,然后提取非空格字符串 //去掉前后空白 function trim(s){ return trimRight(trimLeft(s)); } //去掉左边的空白 function t ...

  8. python 爬虫005-爬虫实例

    实例一:扒取猫眼电影TOP100 的信息 #!/usr/bin/env python # -*- coding: utf-8 -*- """ 扒取猫眼电影TOP100 的 ...

  9. flask学习(七):URL反转

    1. 什么叫反转URL:从视图函数到url的转换叫做反转url 2. 反转url的用处: 1) 在页面重定向的时候,会使用url反转 2) 在模板中,也会使用url反转 3. 实例: 打印出了url

  10. bzo1016: [JSOI2008]最小生成树计数

    现在给出了一个简单无向加权图.你不满足于求出这个图的最小生成树,而希望知道这个图中有多少个不同的最小生成树.(如果两颗最小生成树中至少有一条边不同,则这两个最小生成树就是不同的).由于不同的最小生成树 ...