1

المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

الرياضيات : نظرية الاعداد :

Pi Iterations

المؤلف:  Bailey, D. H.

المصدر:  "The Computation of pi to 29360000 Decimal Digit using Borwein,s, Quartically Convergent Algorithm." Math. Comput. 50

الجزء والصفحة:  ...

10-3-2020

1529

Pi Iterations 

pi may be computed using a number of iterative algorithms. The best known such algorithms are the Archimedes algorithm, which was derived by Pfaff in 1800, and the Brent-Salamin formula. Borwein et al. (1989) discuss pth-order iterative algorithms.

The Brent-Salamin formula is a quadratically converging algorithm.

Another quadratically converging algorithm (Borwein and Borwein 1987, pp. 46-48) is obtained by defining

x_0 = sqrt(2)

(1)

y_1 = 2^(1/4)

(2)

and

x_n = 1/2(x_(n-1)^(1/2)+x_(n-1)^(-1/2))

(3)

y_n = (y_(n-1)x_(n-1)^(1/2)+x_(n-1)^(-1/2))/(y_(n-1)+1).

(4)

Then

 pi_n=pi_(n-1)(x_n+1)/(y_n+1),

(5)

with pi_0=2+sqrt(2)pi_n decreases monotonically to pi with

 pi_n-pi<10^(-2^(n+1))

(6)

for n>=2.

A cubically converging algorithm which converges to the nearest multiple of pi to f_0 is the simple iteration

 f_n=f_(n-1)+sin(f_(n-1))

(7)

(Beeler et al. 1972). For example, applying to 23 gives the sequence 23, 22.1537796, 21.99186453, 21.99114858, ..., which converges to 7pi approx 21.99114858.

A quartically converging algorithm is obtained by letting

y_0 = sqrt(lambda^*(r))

(8)

alpha_0 = alpha(r),

(9)

then defining

y_n = (1-(1-y_(n-1)^4)^(1/4))/(1+(1-y_(n-1)^4)^(1/4))

(10)

alpha_n = (1+y_n)^4alpha_(n-1)-4^nsqrt(r)y_n(1+y_n+y_n^2).

(11)

Then

 pi=lim_(n->infty)1/(alpha_n)

(12)

and alpha_n converges to 1/pi quartically with

 alpha_n-1/pi<16·4^nsqrt(r)e^(-4^npisqrt(r))

(13)

(Borwein and Borwein 1987, pp. 170-171; Bailey 1988, Borwein et al. 1989). This algorithm rests on a modular equation identity of order 4. Taking the special case r=2 gives y_0=sqrt(2)-1 and alpha_0=2(sqrt(2)-1)^2=6-4sqrt(2).

A quintically converging algorithm is obtained by letting

s_0 = 5(sqrt(5)-2)

(14)

alpha_0 = 1/2.

(15)

Then let

 s_n=(25)/((z+x/z+1)^2s_(n-1)),

(16)

where

x = 5/(s_n)-1

(17)

y = (x-1)^2+7

(18)

z = [1/2x(y+sqrt(y^2-4x^3))]^(1/5).

(19)

Finally, let

 alpha_(n+1)=s_n^2alpha_n-5^n[1/2(s_n^2-5)+sqrt(s_n(s_n^2-2s_n+5))],

(20)

then

 0<alpha_n-1/pi<16·5^ne^(-pi5^n)

(21)

(Borwein et al. 1989). This algorithm rests on a modular equation identity of order 5.

Beginning with any positive integer n, round up to the nearest multiple of n-1, then up to the nearest multiple of n-2, and so on, up to the nearest multiple of 1. Let f(n) denote the result. Then the ratio

 lim_(n->infty)(n^2)/(f(n))=pi.

(22)

David (1957) credits this result to Jabotinski and Erdős and gives the more precise asymptotic result

 f(n)=(n^2)/pi+O(n^(4/3)).

(23)

The first few numbers in the sequence <span style={f(n)}" src="https://mathworld.wolfram.com/images/equations/PiIterations/Inline58.gif" style="height:15px; width:37px" /> are 1, 2, 4, 6, 10, 12, 18, 22, 30, 34, ... (OEIS A002491).

Another algorithm is due to Woon (1995). Define a(0)=1 and

 a(n)=sqrt(1+[sum_(k=0)^(n-1)a(k)]^2).

(24)

It can be proved by induction that

 a(n)=csc(pi/(2^(n+1))).

(25)

For n=0, the identity holds. If it holds for n<=t, then

 a(t+1)=sqrt(1+[sum_(k=0)^tcsc(pi/(2^(k+1)))]^2),

(26)

but

 csc(pi/(2^(k+1)))=cot(pi/(2^(k+2)))-cot(pi/(2^(k+1))),

(27)

so

 sum_(k=0)^tcsc(pi/(2^(k+1)))=cot(pi/(2^(t+2))).

(28)

Therefore,

 a(t+1)=csc(pi/(2^(t+2))),

(29)

so the identity holds for n=t+1 and, by induction, for all nonnegative n, and

lim_(n->infty)(2^(n+1))/(a(n)) = lim_(n->infty)2^(n+1)sin(pi/(2^(n+1)))

(30)

= lim_(n->infty)2^(n+1)pi/(2^(n+1))(sin(pi/(2^(n+1))))/(pi/(2^(n+1)))

(31)

= pilim_(theta->0)(sintheta)/theta=pi.

(32)


REFERENCES:

Bailey, D. H. "The Computation of pi to 29360000 Decimal Digit using Borwein's' Quartically Convergent Algorithm." Math. Comput. 50, 283-296, 1988.

Beeler, M. et al. Item 140 in Beeler, M.; Gosper, R. W.; and Schroeppel, R. HAKMEM. Cambridge, MA: MIT Artificial Intelligence Laboratory, Memo AIM-239, p. 69, Feb. 1972. http://www.inwap.com/pdp10/hbaker/hakmem/pi.html#item140.

Borwein, J. M. and Borwein, P. B. Pi & the AGM: A Study in Analytic Number Theory and Computational Complexity. New York: Wiley, 1987.

Borwein, J. M.; Borwein, P. B.; and Bailey, D. H. "Ramanujan, Modular Equations, and Approximations to Pi, or How to Compute One Billion Digits of Pi." Amer. Math. Monthly 96, 201-219, 1989.

David, Y. "On a Sequence Generated by a Sieving Process." Riveon Lematematika 11, 26-31, 1957.

Sloane, N. J. A. Sequence A002491/M1009 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

Woon, S. C. "Problem 1441." Math. Mag. 68, 72-73, 1995.

EN

تصفح الموقع بالشكل العمودي