Вијетова формула

Вијетова формула, одштампана у шестој књизи Вијетовог Variorum de rebus mathematicis responsorum (1593)

У математици, Вијетова формула (Шаблон:Јез-франц) је следећи бесконачни производ уклопљених радикала који представљају двоструку реципрочну вредност математичке константе [[Пи|Шаблон:Pi]]: $$\frac{2}{\pi }=\frac{\sqrt{2}}{2}\cdot \frac{\sqrt{2+\sqrt{2}}}{2}\cdot \frac{\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt{2}}}}{2}\cdots$$ Она се такође може представити овако: $$\frac{2}{\pi }=\prod _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\cos \frac{\pi }{2^{n+1}}$$Формула је названа по Франсоа Вијету, који ју је објавио 1593. Као првој формули европске математике која представља бесконачни процес, може јој се признати прави смисао граничне вредности и означити почетком математичке анализе. Она има линеарну конвергенцију и може се користити за израчунавање Шаблон:Pi, али су се и раније и садашње методе показале прецизнијим. Такође се користила за рачунање понашања система опруга и маса и као пример појма статистичке независности.

Формула се може извести сабијањем производа или обима или површине уклопљених многоуглова који конвергирају у круг. Алтернативно, поново коришћење формуле половине угла из тригонометрије доводи до уопштене формуле коју је открио Леонард Ојлер и у којој је Вијетова формула специјални случај. Много сличних формула које садрже уклопљене корене или бесконачне производе сада су познате.

Значај

Франсоа Вијет (1540–1603) је био француски адвокат, државни саветник двојице француских краљева и математичар аматер. Он је ову формулу објавио 1593. године у шестој књизи свог дела Variorum de rebus mathematicis responsorum. У то време су методе за заокругљивање Шаблон:Pi (у принципу) арбитрарне прецизности дуго биле познате. Вијетова сопствена метода може се тумачити као варијација Архимедове идеје за заокругљивање обима круга обимом комплексног многоугла коју је он користио да дође до приближне вредностиШаблон:Sfn $$\frac{223}{71}<\pi <\frac{22}{7}.$$Објављивањем своје методе у виду формуле Вијет је формулисао први познати случај бесконачног производа у математици и први пример конкретне формуле за тачну вредност Шаблон:Pi. Као прво представљање броја у виду резултата бесконачног процеса уместо коначне рачунице, Ели Маор истиче да Вијетова формула означава почетак математичке анализе, а Џонатан Борвајн њену појаву назива „буђењем модерне математике“.

Користећи своју формулу Вијет је израчунао Шаблон:Pi са прецизношћу од девет цифара. Међутим, то није била најтачнија приближна вредност Шаблон:Pi у то време, јер је персијски математичар Џамшид Ал Каши 1424. године израчунао Шаблон:Pi са прецизношћу од девет сексагезималних и 16 децималних цифара. Недуго након што је Вијет објавио своју формулу, Лудолф ван Цојлен је искористо методу сличну Вијетовој да израчуна 35 цифара Шаблон:Pi, што је објављено тек након ван Цојленове смрти 1610.

Поред свог математичког и историјског значаја, Вијетова формула се може искористити за објашњење различитих брзина таласа различитих фреквенција у бескрајном ланцу опруга и маса и за појаву Шаблон:Pi у ограничавајућем понашању тих брзина. Уз то, извођење ове формуле као производа интеграла укључених у Радемахеров систем, једнаког интегралима производа истих функција, пружа добар пример за појам статистичке независности.

Тумачење и конвергенција

Вијетова формула се може поново написати и схватити као гранични израз $$\underset{n\to \mathrm{\infty }}{\lim }\prod _{i=1}^n\frac{a_i}{2}=\frac{2}{\pi }$$ где је $$\begin{array}{cc}{a}_1& =\sqrt{2}\\ a_n& =\sqrt{2+a_{n-1}}.\end{array}$$За сваки избор $n$, израз у граници је коначни производ, а како се $n$ арбитрарно повећава ти коначни производи добијају вредности које се арбитрарно блиско приближавају вредности Вијетове формуле. Вијет је своје дело написао много пре него што су се појмови граница и детаљни докази конвергенције развили у математици; први доказ да та граница постоји није дат све до дела Фердинанда Рудија из 1891.

Поређење конвергенције Вијетове формуле (Шаблон:Red) и неколико историјских бесконачних редова за Шаблон:Pi. Шаблон:Math је приближна вредност пошто је узет члан Шаблон:Mvar. Сваки наредни спорендни случај увећава осенчану област хоризонтално 10 пута.

Стопа конвергенције границе одређује број чланова израза који су потребни за постизање тачности датог броја цифара. У Вијетовој формули, број чланова и цифара је пропорционалан: производ првих $n$ чланова у граници даје израз за Шаблон:Pi који је једнак приближно 0.6$n$ цифара. Ова стопа конвергенције се веома повољно пореди са Волисовим производом, каснијој формули бесконачног производа за Шаблон:Pi. Иако је Вијет искористио своју формулу да израчуна Шаблон:Pi са прецизношћу од само девет цифара, измењена верзија његове формуле се користила за израчунавање стотине хиљада цифара Шаблон:Pi.

Сродне формуле

Вијетова формула се може добити као специјалан случај sinc-функције која се више од једног века касније често приписивала Леонарду Ојлеру:$$\frac{\sin x}{x}=\cos \frac{x}{2}\cdot \cos \frac{x}{4}\cdot \cos \frac{x}{8}\cdots$$Заменом Шаблон:Math у овој формули добија се:$$\frac{2}{\pi }=\cos \frac{\pi }{4}\cdot \cos \frac{\pi }{8}\cdot \cos \frac{\pi }{16}\cdots$$Онда, изражавањем сваког члана производа десно као функцију ранијих чланова, користећи формулу половине угла:$$\cos \frac{x}{2}=\sqrt{\frac{1+\cos x}{2}}$$добија се Вијетова формула.

Такође је могуће из Вијетове формуле извести сличну формулу за Шаблон:Pi која и даље садржи уклопљене квадратне корене броја два, али се множење користи само једном:$$\pi =\underset{k\to \mathrm{\infty }}{\lim }{2}^k\underset{k\text{ square roots}}{\underbrace{\sqrt{2-\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt{2+\cdots +\sqrt{2}}}}}}}},$$што би се концизније могло написати као$$\begin{array}{cc}\pi & =\underset{k\to \mathrm{\infty }}{\lim }{2}^k\sqrt{2-a_k}\\ [5px]a_1& =0\\ a_k& =\sqrt{2+a_{k-1}}.\end{array}$$Много формула за Шаблон:Pi и друге константе попут златног пресека сада су познате и оне су сличне Вијетовој по томе што користе или уклопљене радикале или бесконачне производе тригонометријских функција.

Извођење

Низ правилних многоуглова, чији је број страница једнак степенима двојке, уписан је у круг. Односи површина или обима узастопних многоуглова у низу чине чланове Вијетове формуле.

Вијет је до своје формуле дошао поређењем површина правилних многоуглова са Шаблон:Math и Шаблон:Math страницама уписаним у круг. Први члан производа, Шаблон:Math, јесте однос површина квадрата и осмоугла, други је однос површина осмоугла и шеснаестоугла итд. Стога се производ телескопира да би дао однос површина квадрата (почетног многоугла у низу) кругу (ограничавајућем примеру Шаблон:Math-угла). Алтернативно, услови у производу се могу тумачити као односи обима истог низа многоуглова, почевши од односа обима двоугла (полупречник круга убројен два пута) и квадрата, односа обима квадрата и осмоугла итд.

Другачије извођење је могуће на основу тригонометријских идентитета и Ојлерове формуле. Користећи формулу за дупли угао у више наврата

$$\sin x=2\sin \frac{x}{2}\cos \frac{x}{2},$$добијамо доказ математичком индукцијом да је за свако позитивно целобројно $n$

$$\sin x=2^n\sin \frac{x}{2^n}(\prod _{i=1}^n\cos \frac{x}{2^i}).$$Члан Шаблон:Math у граници достиже Шаблон:Mvar док $n$ иде у бесконачност, из чега следи Ојлерова формула. Вијетова формула се може добити из ове формуле заменом Шаблон:Math.Шаблон:Clear

Спољашње везе

• Шеста књига Вијетовог Variorum de rebus mathematicis responsorum (1593). Формула се налази на другој половини 30. странице.