マチンの公式

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マチンの公式(Machin's formula) とは、1706年にイギリスの天文学者ジョン・マチンによって発見された逆三角関数を用いた円周率を計算するための公式である。

概要[編集]

グレゴリ級数

\arctan(x) =  \sum_{n=0}^{\infin} \frac{(-1)^n}{2n+1} x^{2n+1} = x - \frac{1}{3}x^3 + \frac{1}{5}x^5 - \frac{1}{7}x^7 + \frac{1}{9}x^9 - \cdots

に、 x = 1 を代入して得られる級数(ライプニッツの公式

{\pi \over 4} =  \sum_{n=0}^{\infin} \frac{(-1)^n}{2n+1} = 1 - \frac{1}{3} + \frac{1}{5} - \frac{1}{7} + \frac{1}{9} - \cdots

は、見た目は綺麗な公式であるものの非常に収束が遅いことで知られる。しかし、 x を十分小さくとれば見た目の綺麗さは多少損なわれるが、それなりに速く収束する級数が得られる。実際、シャープx = 1√3 を用い、円周率を小数点以下 71 桁まで計算した。

ジョン・マチンは、さらに収束性をよくするために逆正接関数 arctan(x) の関係式を考え、グレゴリ級数と結びつけて、とても収束の速い級数を得た。この公式を発見したマチン自身も円周率を 100 桁まで求めることに成功した。マチンの公式や、似たような arctan(x) を用いた公式は、1970年代算術幾何平均などが用いられるようになるまでは円周率の計算に用いられ計算競争に貢献した。その後しばらくは新しいアルゴリズムによる円周率の計算が続いたが、2002年金田康正によって高野喜久雄の公式が用いられ円周率を 1兆2411億桁まで計算するという記録に結びついた。

公式[編集]

等式

 4 \arctan \left( {1 \over 5} \right) - \arctan \left( {1 \over 239} \right) = {\pi \over 4}

マチンの公式という。

この項目では arctan(x) は主値

 -{\pi \over 2} < \arctan(x) < {\pi \over 2}

を取るものとする。

同じ事であるが、逆余接関数 arccot(x) を用いて

 4 \arccot (5) - \arccot(239) = {\pi \over 4}

と書かれることもある。

主な証明[編集]

三角関数の公式による証明[編集]

マチンの公式は三角関数の公式をそのまま用いて証明できる。

 \tan(a) = {1 \over 5}

を満たす a をとる。二倍角公式を、二度用いることによって

 \tan(2a) = {2 \tan(a) \over 1-\tan^2(a)} = {5 \over 12}
 \tan(4a) = {120 \over 119}

さらに加法定理により

 \tan \left(4a - {\pi \over 4}\right) = {1 \over 239}

したがって

4a -{\pi \over 4} = \arctan \left({1 \over 239}\right)
 4 \arctan \left( \frac{1}{5} \right) - \arctan \left( \frac{1}{239} \right) = {\pi \over 4}

複素数を用いた証明[編集]

a, b実数とし、 a > 0、 i虚数単位とする。

複素数 a + b i の偏角は

\arctan \left({b \over a} \right)

である。

複素数の偏角の範囲は arctan の主値と同じ範囲に取るものとする。

n整数とする。ド・モアブルの定理によると (a + b i)n の偏角は

 n \arctan \left({b \over a} \right)

この式を利用すると、マチンの公式の左辺は

(5+i)^4 \ (239+i)^{-1} = {(5+i)^4 \over (239+i)} = 2+2i

の左辺の式の偏角に等しいと分かる。この式の右辺の偏角は π4 であるためマチンの公式が示される。

マチンの公式による計算[編集]

マチンの公式を

\pi = 16 \arctan \left( {1 \over 5} \right) - 4 \arctan \left( {1 \over 239} \right)

の形にし、 arctan(x) をグレゴリ級数に直して、それぞれ最初の方の項だけを計算して差

pi(m) = 16 \sum_{n=0}^{3m+2} \frac{(-1)^n}{2n+1} \left({1 \over 5}\right)^{2n+1} -4\sum_{n=0}^m \frac{(-1)^n}{2n+1} \left({1 \over 239}\right)^{2n+1}

を取る。

和を取る項数がそれぞれ 3m+3 項と m+1 項であり異なっている。これは、151239 の値が大きく異なるので、計算する項の値の大きさを近付けるために項数を補正しているのである。 m が 1 増えるたびに、計算すべき項数は 4 増える。

m = 1 から m = 10 まで計算すると次表のようになる。桁数の欄は実際の円周率の値と一致している小数点以下の桁数である。参考までに末尾に π の値も載せた。

未知の円周率を計算するときには、誤差を評価し、有効な桁数を調べなければならないが、ここでは既に知られている円周率の値と比べて、一致することを確認するだけにとどめる。
m pi(m) 桁数 項数
0 3.14162 … 3 4
1 3.14159 26526 … 8 8
2 3.14159 26535 8983 … 12 12
3 3.14159 26535 89793 2363 … 17 16
4 3.14159 26535 89793 23846 275 … 21 20
5 3.14159 26535 89793 23846 2643377 … 25 24
6 3.14159 26535 89793 23846 26433 8327981 … 30 28
7 3.14159 26535 89793 23846 26433 83279 502866 … 34 32
8 3.14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41981 … 38 36
9 3.14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971 69341 … 43 40
10 3.14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971 69399 3784 … 47 44
π 3.14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971 69399 37510 58209 7494 … (参考)

pi(m) は 4 (m +1) 個の項の足し算または引き算によって計算されるので、 m = 10 のときは 44 項の和や差を計算していることになる。ここで普通のグレゴリ級数を用いた場合の値を見てみると

x = 1 のときのグレゴリ級数

 \pi  = 4 \arctan(1) = 4 \sum_{n=0}^{\infin} {(-1)^n \over 2n+1}

は、非常に収束が遅く、 n = 50 までで打ち切って計算してみると

 4 \sum_{n=0}^{50} {(-1)^n \over 2n+1} = 3.1611 \cdots

となり小数点以下 1 桁までしか円周率と一致していない。

シャープの用いた x = 1√3 の場合のグレゴリ級数

 \pi = 6 \arctan\left({1 \over \sqrt{3}}\right) = 6 \sum_{n=0}^{\infin} {(-1)^n \over 2n+1} \left({1 \over \sqrt{3}} \right)^{2n+1}

で同じように n = 50 までで打ち切って計算すると

6 \sum_{n=0}^{50} {(-1)^n \over 2n+1} \left({1 \over \sqrt{3}} \right)^{2n+1} = 3.14159 26535 89793 23846 26433 95 \cdots

となり、円周率の実際の値とは小数点以下 25 桁まで一致している。上の表で見るとマチンの公式では pi(5) で 25 桁まで一致しており、そのときの計算に用いた項の数は 4 × (5+1) = 24 項であるので、シャープによる計算のほぼ半分の項数によって、小数点以下 25 桁までの円周率が得られている。

マチンの公式の類似[編集]

マチンの公式に類似した式は比較的探しやすいため、非常に多くの形の式が見つかっている。この節では、その中のほんの一部を紹介する。複素数を用いたマチンの公式の証明と同様の計算を用いるなどして、計算機を用いて公式を探索していくことも可能である。

二項よりなる公式[編集]

オイラーによる公式(1748年

{\pi \over 4} = \arctan\left({1 \over 2}\right) + \arctan\left({1 \over 3}\right)
\arctan \left({1 \over p}\right) = \arctan \left({1 \over p+q}\right)+\arctan \left({q \over p^2 +pq+1} \right)
ただし p, q は正の実数

ヤコブ・ハーマン (Jacob Hermann,1678 - 1733) による式

{\pi \over 4} = 2 \arctan\left({1 \over 2}\right) - \arctan\left({1 \over 7}\right)

ハットン(Charles Hutton,1737 - 1823)による式(1776年)

{\pi \over 4} = 3 \arctan\left({ 1  \over  4 }\right) + \arctan\left({5 \over 99}\right)
\frac{\pi}{4} = 2 \arctan\left({1 \over 3}\right) + \arctan\left({1 \over 7}\right)
下の式は、1779年にオイラーも独立に再発見している。

三項以上よりなる公式[編集]

ガウスによる公式(1863年)

 \frac{\pi}{4} = 12 \arctan\left({1 \over 18}\right) + 8 \arctan\left({1 \over 57}\right) - 5 \arctan\left({1 \over 239}\right)

ストーマー(Fredrik Carl Mulertz Stormer,1874-1957) による公式 (1896年

 {\pi \over 4} = 44 \arctan\left({1 \over 57}\right) + 7 \arctan\left({1 \over 239}\right) - 12 \arctan\left({1 \over 682}\right) + 24 \arctan\left({1 \over 12943}\right)
 {\pi \over 4} = 6 \arctan\left({1 \over 8}\right) + 2 \arctan\left({1 \over 57}\right) + \arctan\left({1 \over 239}\right)

高野喜久雄による公式(1982年

 {\pi \over 4} = 12 \arctan\left({1 \over 49}\right) + 32 \arctan\left({1 \over 57}\right) - 5 \arctan\left({1 \over 239}\right) + 12 \arctan\left({1 \over 110443}\right)

シムソン(Robert Simson;1687生,1768没;初等幾何学のシムソン線の発見者)による公式[1]

 \frac{\pi}{4} = 8 \arctan\left({1 \over 10}\right) - 4 \arctan\left({1 \over 515}\right) -  \arctan\left({1 \over 239}\right)

注釈[編集]

  1. ^ マチン・シムソンの論文 I.Tweddle(1991), John Machin and Robert Simson on Inverse-tangent series for π, Arch. Hist. Exact Sci. の42,p.1~14による。

関連項目[編集]

外部リンク[編集]