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沃利斯公式

Kamimika...小于 1 分钟学习笔记

沃利斯公式

In=∫0π2sin⁡nxdx=∫0π2cos⁡nxdx={(n−1)!!n!!⋅π2,n为偶数(n−1)!!n!!,n为奇数 I_n = \int_0^\frac{\pi}{2} \sin^n x dx = \int_0^\frac{\pi}{2} \cos^n x dx \\ = \begin{cases} \dfrac{(n-1)!!}{n!!} \cdot \dfrac{\pi}{2} &, n为偶数 \\ \dfrac{(n-1)!!}{n!!} &, n为奇数 \\ \end{cases}

注意

注意是双阶乘不是阶乘

证明:

In=−∫0π2sin⁡n−1xd(cos⁡x)=−sin⁡n−1xcos⁡x∣0π2+∫0π2cos⁡xd(sin⁡n−1x)=(n−1)∫0π2cos⁡2xsin⁡n−2xdx=(n−1)∫0π2(1−sin⁡2x)sin⁡n−2xdx=(n−1)(In−2−In)  ⟹  In=n−1nIn−2 (n≥2) I_n = -\int_0^\frac{\pi}{2} \sin^{n-1} x d(\cos x) \\ = - \sin^{n-1} x \cos x|_0^\frac{\pi}{2} + \int_0^\frac{\pi}{2} \cos x d(\sin^{n-1} x) \\ = (n-1) \int_0^\frac{\pi}{2} \cos^2 x \sin^{n-2} x dx \\ = (n-1) \int_0^\frac{\pi}{2} (1-\sin^2 x) \sin^{n-2} x dx \\ = (n-1)(I_{n-2} - I_n) \\ \\ \implies I_n = \dfrac{n-1}{n} I_{n-2} \space (n \geq 2)

推论: 因为 sin⁡x∈[0,1]\sin x \in [0, 1], 故 I2k+1≤I2k≤I2k−1I_{2k+1} \leq I_{2k} \leq I_{2k-1},

(2k)!!(2k+1)!!≤(2k−1)!!(2k)!!⋅π2≤(2k−2)!!(2k−1)!!1≤[(2k−1)!!(2k)!!]2⋅(2k+1)⋅π2≤2k+12k \dfrac{(2k)!!}{(2k+1)!!} \leq \dfrac{(2k-1)!!}{(2k)!!} \cdot \dfrac{\pi}{2} \leq \dfrac{(2k-2)!!}{(2k-1)!!} \\ 1 \leq [\dfrac{(2k-1)!!}{(2k)!!}]^2 \cdot (2k+1) \cdot \dfrac{\pi}{2} \leq \dfrac{2k+1}{2k}

因为 lim⁡k→∞2k+12k=1\lim_{k \to \infty} \dfrac{2k+1}{2k} = 1 由夹逼定理得:

lim⁡k→∞[(2k)!!(2k−1)!!]212k+1=π2 \lim_{k \to \infty} [\dfrac{(2k)!!}{(2k-1)!!}]^2 \dfrac{1}{2k+1} = \dfrac{\pi}{2}

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贡献者: wzh656
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