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沃利斯(Wallis)积分公式

以正弦函数的沃利斯公式为例:记In=0π2sinnxdxI_n=\int_0^{\frac \pi 2}\sin^nx\mathrm{d}x,当n2n\geq2时,应用凑微分和分部积分得:

In=0π2sinnxdx=[sinn1xcosx0π20π2cosxd(sinn2x)]=[00(n1)0π2(1sin2x)sinn2xdx]=(n1)[0π2sinn2xdx+0π2sinnxdx]=(n1)In2(n1)In\begin{aligned} I_n=&\int_0^{\frac\pi2}\sin^nx\mathrm{d}x\\ =&-\Big[\sin^{n-1}x \cos x \big|^{\frac \pi 2}_0-\int_0^{\frac\pi 2}\cos x \mathrm{d}(\sin^{n-2}x)\Big]\\ =&-\Big[0-0-(n-1)\int^\frac\pi2_0(1-\sin^2x)\sin^{n-2}x\mathrm{d}x\Big]\\ =&-(n-1)\Big[-\int^\frac\pi2_0\sin^{n-2}x\mathrm{d}x+\int_0^\frac\pi2\sin^nx\mathrm{d}x\Big]\\ =&(n-1)I_{n-2}-(n-1)I_n\\ \end{aligned}

化简移项得: In=n1nIn2I_n=\frac{n-1}{n}I_{n-2}nn为偶数时: In=n1nn3n212π2I_n=\frac{n-1}{n}\cdot\frac{n-3}{n-2}\cdots\frac{1}{2}\cdot\frac\pi2nn为奇数时: In=n1nn3n223I_n=\frac{n-1}{n}\cdot\frac{n-3}{n-2}\cdots\frac23

x=π2tx=\frac\pi2-t即可证明余弦公式的沃利斯公式。 根据这两个公式,可以推导出π\pi的有理极限表达式: π2=limx+[(2n)!!(2n1)!!]212n+1\frac\pi2=\lim_{x\to+\infty}\Big[\frac{(2n)!!}{(2n-1)!!}\Big]^2\frac{1}{2n+1}

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沃利斯(Wallis)积分公式
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作者
老官童鞋gogo
发布于
2024-12-10
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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