마친(Machin)의 공식

수학노트
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개요

  • 아크탄젠트 함수를 통한 원주율(파이,π) 표현\[4\arctan\frac{1}{5}-\arctan\frac{1}{239}=\frac{\pi}{4}\]
  • 아크탄젠트 함수의 급수표현을 이용하면 파이로 빠르게 수렴하는 간단한 급수를 얻게 됨
  • 존 마친(John Machin)에 의해 1706년 발견됨



증명

배각공식을 통한 증명

\(\tan \alpha = \frac{1}{5}\) 를 만족시키는 각도\(\alpha\)를 생각하자.

탄젠트에 대한 배각공식을 반복적용하여, 다음을 얻는다 \[\tan 2\alpha =\frac{2\tan\alpha}{1-\tan^2\alpha}=\frac{5}{12}\] \[\tan 4\alpha =\frac{2\tan 2\alpha}{1-\tan^22\alpha}=\frac{120}{119}\]

이를 통해, \(4\alpha\)의 값이 \(\frac{\pi}{4}\)에 가까울 것임을 생각할 수 있다.

이제 그 오차를 계산하기 위해, \(\beta=4\alpha-\frac{\pi}{4}\)로 두자.

탄젠트에 대한 덧셈공식을 사용하면, 다음의 결과를 얻을 수 있다. \[\tan\beta=\tan(4\alpha-\frac{\pi}{4})=\frac{\tan 4\alpha+\tan(-\frac{\pi}{4})}{1-\tan 4\alpha \tan(-\frac{\pi}{4})}=\frac{1}{239}\]

이제 아크탄젠트함수를 사용하여 다음과 같이 표현할 수 있다. \[\frac{\pi}{4}=4\alpha-\beta=4\arctan \frac{1}{5}-\arctan \frac{1}{239}\]■


복소수의 곱셈을 통한 증명

복소수의 곱셈 \((5+i)^4(-239+i)=-114244-114244 i\)을 확인하자.

이로부터, 다음을 얻는다. \[4\arctan(\frac{1}{5})+\pi-\arctan(\frac{1}{239})=\frac{5}{4}\pi\]

따라서

\[4\arctan(\frac{1}{5})-\arctan(\frac{1}{239})=\frac{1}{4}\pi\] ■


일반화

  • 증명의 아이디어처럼, 배각공식을 활용하여 1에 가깝게 되는 각도를 찾아낼 수 있으면, 유사한 형태의 공식을 얻을 수 있음.


역사



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매스매티카 파일 및 계산 리소스


사전형태의 참고자료



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