Реферат по предмету "Математика"


Числа е та пі

--PAGE_BREAK--Другий шлях доказу ірраціональності e [23].
Припустимо, що  раціонально. Тоді , де  — ціле, а  — натуральне, звідки



Множачи обидві частини рівняння на , одержуємо

Переносимо в ліву частину:

Всі доданки правої частини цілі, отже:
 — ціле

Але з іншої сторони


Знов одержуємо протиріччя.

Трансцендентність була доведена тільки в 1873 році французьким математиком Шарлем Ермітом [22].

Теорема 1.4.2. Число  трансцендентно.

Доведення. Припустимо, що  корінь багаточлена із цілими коефіцієнтами  так що
    (1.4.1)
Позначимо через  найбільшу з абсолютних величин коефіцієнтів , так що при всіх  маємо .

При заданому  функція  при збільшенні  прагне до нуля й, оскільки існують які завгодно більші прості числа, ми можемо вибрати просте число  так, що будуть одночасно виконуватися умови:

Розглянемо функцію ступеня

Інтегруючи вроздріб, знаходь :



Продовжимо цей процес, поки не дійдемо до похідної порядку , рівної тотожно нулю. Одержимо :
   (1.4.2)
де ( до похідної порядку ).

Підставляючи в (1.4.2) замість  число  й множачи на ,, маємо:
   (1.4.3)
Надаючи  значення  та складаючи при  рівності (1.4.3) і беручи до уваги, що через тотожність (1.4.2) права частина виходить рівною нулю, знаходимо:
  (1.4.4)
Розкладання  по ступенях  має вигляд :
,   (1.4.5)
де  цілі числа. Одержуємо:

 ,
а   є ціле число, оскільки  просте й , не ділиться на ;

  , як легко бачити з (1.4.4), цілі числа, що діляться на ;

 являє собою суму цілого числа , що не ділиться на , і інші цілі числа, кратні , так що не є дільником.Оскільки , те буде також  не є дільником .

Розкладання  по ступенях , де  , має вигляд
  (1.4.6)
де всі коефіцієнти  цілі числа.

Диференціюючи (1.4.6), легко бачити, що при всіх таких :

  ціле число, що ділиться на .

У сумі

перший доданок не ділиться на , а всі інші доданки діляться на , так що   ціле число, що не ділиться на , і, таким чином, відмінне від нуля.

Ціле число, відмінне від нуля, має модуль, більший або дорівнюючий одиниці, так що .

Оцінимо тепер величину  зверху. Згідно (1.4.4.):





У всіх інтегралах, що входять в , величина  пробігає значення, що не виходять за межі сегмента , а при таких  справедлива нерівність:

так, що при всіх  маємо


що суперечить отриманій раніше нерівності .

Таким чином, припущення, що  алгебраїчне число, привело нас до протиріччя; отже, неалгебраїчне число, тобто трансцендентне число.

Теорема доведена.


РОЗДІЛ ІІ

НАБЛИЖЕНЕ ОБЧИСЛЕННЯ ЧИСЛА „π”
2.1 Методи наближеного обчислення числа „π” за допомогою числових рядів
Число p
з'являється не тільки при рішенні геометричних задач. Із часу Ф.Віета (1540–1603) розвідка меж деяких арифметичних послідовностей, що встановлені простими законами, приводило до того ж числа p
. У зв'язку із цим у визначенні числа p
брали участь майже всі відомі математики: Ф.Віет, Х.Гюйгенс, Дж.Валліс, Г.В.Лейбніц, Л.Ойлер [21]. Вони одержували різні вирази для p
у вигляді нескінченного добутку, суми ряду, нескінченного дробу.

Наприклад, в 1593 Ф.Виет (15401603) вивів формулу[21]

В 1665 Джон Валліс (16161703) довів, що [21]
,
Або
.




Ця формула має його ім'я. Для практичного знаходження числа p
вона мало придатна, але корисна в різних теоретичних міркуваннях. В історію науки вона ввійшла як один з перших прикладів нескінченних добутків.

Готфрид Вільгельм Лейбниц (16461716) в 1673 установив наступну формулу[21]:

яка представляє число p
/4 як суму ряду. Однак цей ряд сходиться дуже повільно. Щоб обчислити p
з точністю до десяти знаків, треба було б, як показав Ісаак Ньютон, знайти суму 5 млрд чисел і затратити на це біля тисячі років безперервної роботи.

Леонарду Ойлеру належать і інші гарні формули рядів повільної східності, що включають p
[21]:
,

,

.
В останній формулі в чисельнику розташовані всі прості числа, а знаменники відрізняються від них на одиницю, причому знаменник більше чисельника, якщо той має вигляд 4n + 1, і менше в противному випадку.

Лондонський математик Джон Мэчин (16801751) в 1706, застосовуючи формулу[21]



одержав вираження

arctg 1 = 4 arctg – arctg .

Підстановка в нього arctg 1 =  і рядів для arctg x

 (arctg x = ) приводить до формули

,

яка дотепер уважається однієї із кращих для наближеного обчислення p
. Щоб знайти ті ж десять точних десяткових знаків, буде потрібно всього кілька годин ручного рахунку. Сам Джон Мэчин обчислив p
з 100 вірними знаками.

Скористаємося відомим рядом для арктангенса [21]:
   (2.1.1)
Якщо взяти, то , і ми одержимо ряд
   (2.1.2)
уже придатний для обчислення/

Скористаємось формулою додавання для арктангенса
    (2.1.3)
і вибираючи в якості  і  якінебудь два правильні дроби, що задовольняють співвідношенню




 або    (2.1.4)

будемо мати
  (2.1.5)
Наприклад, поклавши , одержимо ряд
  (2.1.6)
Існують, однак, ряди, ще більш ефективні для розрахунку числа .

Покладемо  тоді

Через близькість цього числа до , ясно, що кут  близький до .

Поклавши:
, будемо мати :
 так що

Звідси


це формула Мєшина (J.Machin).

Обчислимо по ній число  з 7ю знаками після коми. Для цього досить тих членів формули, які фактично виписані. Тому що обидва ряди – типу рядів Лейбниця, то виправлення в зменшуваному й від'ємнику на відкидання невиписаних членів, відповідно, будуть:
 і
Збережені члени (2.6) перетворимо у десяткові дроби, округляючи їх ( за правилом доповнення ) на восьмому знаку. Обчислення зведені в таблицю ( у дужках указує знак виправлення):



 

З огляду на всі виправлення, маємо:



так що



Отже, остаточно  причому всі виписані знаки вірні.

C допомогою того ж ряду для arctg x і формули

p
= 24 arctg + 8 arctg + 4 arctg
значення числа p
було отримано на ЕОМ з точністю до ста тисяч десяткових знаків. Такого роду обчислення становлять інтерес у зв'язку з поняттям випадкових і псевдовипадкових чисел. Статистична обробка впорядкованої сукупності зазначеної кількості знаків p
показує, що вона має багато рис випадкової послідовності. А так виглядає 101 знак числа p
без округлення:

3,14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971 69399 37510 58209 74944 59230 78164 06286 20899 86280 34825 34211 70679.
2.2 Методи наближеного обчислення числа „π” за допомогою розкладу в нескінченні ланцюгові дроби
Згідно [2]для наближеного розрахунку числа pпобудований наступний ланцюговий дріб:
  (2.2.1)
(послідовність неповних часток така: 3, 7, 15, 1, 292, 1, 1, 1, 2, 1, 3, 1, 14, 2, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 1, 84, 2, 1, 1, 15, 3, 13,...)

Знайдемо підходящі для практичних розрахунків дроби використовуючи вищенаведений ланцюговий дроб:

а потім складемо таблицю для обчислення наступних дробів за допомогою рекуррентного правила:





Одержуємо підходящі дроби  й . Наближення  , рівне, було відомо ще Архімедові [21], а наближенням  користувався Андріан Меций ще наприкінці 16 сторіччя [21]. Перше наближення дуже зручно тим, що знаменник 7 дуже невеликий.У другому дробі при порівняно невеликому знаменнику  виходить наближене значення  з високою точністю.

Щоб оцінити цю точність, використовуємо формулу [4]
    (2.2.2)
У нашім випадку , а
Виходить,


тобто точність отриманої відповіді перевищує . Обертаючи дріб  у десятковий, одержуємо:




РОЗДІЛ ІІІ

НАБЛИЖЕНЕ ОБЧИСЛЕННЯ ЧИСЛА „е”
3.1 Методи наближеного обчислення числа „е” за допомогою числових рядів
Обчислимо число  з точністю до  з використанням ряду [20]. Запишемо ряд для :
  (3.1.1)
Ця рівність має місце для кожного .При
   (3.1.2)
Насамперед установимо, яким треба взяти число  для здійснення необхідної точності. Якщо покласти наближене , то помилка буде


тому що є прогресія, знаменник якої дорівнює (сума  прогресси дорівнює , де її перший член, а знаменник).

Для здійснення необхідної точності треба, щоб , тобто .Уже при  дана нерівність задовольняється, тому що .Але тому що обіг членів розкладання для  в десятковий дріб і при цьому їхнє округлення послужить джерелом нової погрішності, то в запас точності візьмемо .


Оборотні члени розкладання в десятковий дріб використовуємо, округляючи їх за правилом доповнення на сьомому знаку. Тоді похибка кожного члена по абсолютній величині не більше , а вся похибка – не більше , тому що перші три члени розкладання обчислюються точно, і будемо мати:


таким чином, похибка на відкидання всіх членів розкладання, починаючи з  (дванадцятий член розкладання), не перевершує  , а похибка на округлення не більше . Звідси виходить, що загальна погрішність за абсолютним значенням дорівнює сумі



Але тоді число  знаходиться між числами  й , тобто . Отже, можна покласти . Значення  з 19 знаками після коми є [22]:






3.2 Методи наближеного обчислення числа „е” за допомогою розкладу в нескінченні ланцюгові дроби
Згідно [9]для наближеного розрахунку числа  побудований наступний ланцюговий дріб.

Теорема 3.2.1
   (3.2.1)
Доведення. Визначимо  як суму ряду:
.
Цей ряд сходиться при будьяких значеннях ; однак ми будемо розглядати тільки значення , що лежать в інтервалі .

Легко перевірити, що має місце тотожність
  (3.2.2)
Дійсно, коефіцієнт при  в лівій частині рівності (3.2.2) дорівнює


а в правій частині рівності (3.2.2) він дорівнює


,
так що (3.2.2) вірне.

Позначимо  через  . Зокрема, оскільки

То

З тотожності рівності (3.2.1) при  одержуємо:
   (3.2.3)
Оскільки  позитивно, рівність (3.2.3) показує, що при всіх

 ,, тобто  й послідовність співвідношень (3.2.2) при


дає розкладання  в ланцюговий дріб:
  (3.2.4)
Теорема доведена.

Тепер розкладемо в ланцюговий дріб число [2].

Теорема.3.2.2
   (3.2.5)
(послідовність неповних часток така: 2, 1, 2, 1, 1, 4, 1, 1, 6, 1, 1, 8, 1, 1, 10, 1, 1, 12, 1, 1, 14, 1, 1, 16, 1,...), тобто елементи  розкладання  в ланцюговий дріб мають вигляд:


Доведення. Позначимо підходящі дроби до правої частини (3.2.4) через , а підходящі дроби до (3.2.3) через  . Доведемо, що

Беручи до уваги значення елементів ланцюгового дробу (3.2.4), маємо:

Звідки знаходимо:


Аналогічне співвідношення маємо й для  , так що
   (3.2.6)

Доведемо індукцією по , що
    (3.2.7)
З (3.2.3) і ( 3.2.4) безпосередньо обчислюємо  , так що співвідношення (3.2.7) вірно для всіх  з номерами, меншими ніж , де  , тобто зокрема

тоді, використовуючи рівності (3.2.6), одержуємо:

Згідно за принципом повної математичної індукції равенство (3.2.6) вірно для всіх .

Зовсім аналогічно доводиться, що

Розглядаючи тепер межу відносини величин  і  , знаходимо:

тобто

Оскільки ланцюговий дріб у правій частині (3.2.5) сходиться, ми будемо мати також, що взагалі, а це доводить теорему.

Теорема доведена.

--PAGE_BREAK--


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.