Machin公式是一种用于计算π(圆周率)的数学公式,它由John Machin在1706年提出。Machin公式的一般形式如下:
π = 4 (4 / 22 2 / 55 + 1 / 236 1 / 37)
要推导这个公式,我们可以从以下两个等式开始:
1. π/4 = 4 arctan(1/5) arctan(1/239)
2. π/4 = 4 arctan(1/265) arctan(1/4)
这两个等式可以通过泰勒级数展开或使用反正切函数的性质推导出来。下面是详细的推导过程:
我们知道反正切函数的泰勒级数展开为:
arctan(x) = x x3/3 + x5/5 x7/7 + ...
对于arctan(1/5)和arctan(1/239),我们可以将x分别替换为1/5和1/239,然后进行展开:
arctan(1/5) = 1/5 (1/5)3/3 + (1/5)5/5 (1/5)7/7 + ...
arctan(1/239) = 1/239 (1/239)3/3 + (1/239)5/5 (1/239)7/7 + ...
然后,我们将这两个展开式代入第一个等式:
π/4 = 4 (1/5 (1/5)3/3 + (1/5)5/5 (1/5)7/7 + ...) (1/239 (1/239)3/3 + (1/239)5/5 (1/239)7/7 + ...)
接下来,我们重复上述过程,将x替换为1/265和1/4,然后进行展开:
arctan(1/265) = 1/265 (1/265)3/3 + (1/265)5/5 (1/265)7/7 + ...
arctan(1/4) = 1/4 (1/4)3/3 + (1/4)5/5 (1/4)7/7 + ...
将这两个展开式代入第二个等式:
π/4 = 4 (1/265 (1/265)3/3 + (1/265)5/5 (1/265)7/7 + ...) (1/4 (1/4)3/3 + (1/4)5/5 (1/4)7/7 + ...)
现在,我们将两个等式中的π/4相等,然后进行化简:
4 (1/5 (1/5)3/3 + (1/5)5/5 (1/5)7/7 + ...) (1/239 (1/239)3/3 + (1/239)5/5 (1/239)7/7 + ...) = 4 (1/265 (1/265)3/3 + (1/265)5/5 (1/265)7/7 + ...) (1/4 (1/4)3/3 + (1/4)5/5 (1/4)7/7 + ...)
化简上述等式,我们得到Machin公式:
π = 4 (4 / 22 2 / 55 + 1 / 236 1 / 37)
这就是Machin公式的推导过程。通过这个公式,我们可以使用较少的乘法和除法运算来计算π的近似值。