중심이항계수가 등장하는 어떤 급수에 대한 문제

수학노트
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문제의 서술

중심이항계수(central binomial coefficient)란

<math>{2n \choose n}=\frac{(2n)!}{(n!)^2}</math>

꼴의 이항계수를 말한다.


잘 알려진 카탈란 수열(Catalan numbers) 의 일반항은

<math>c_n = \frac{1}{n+1}{2n\choose n} = \frac{(2n)!}{(n+1)!\,n!}</math>

으로 주어지는데, 중심이항계수가 등장함을 볼 수 있다.



1978년 아페리가 ζ(3)는 무리수이다(아페리의 정리) 를 증명할 때, 중심이항계수가 들어간 급수

<math>\zeta(3) = \frac{5}{2} \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1}}{n^3\binom{2n}{n}}</math>

를 중요하게 사용하였다.



Lehmer는 아래에 링크되어 있는 'Interesting Series Involving the Central Binomial Coefficient'[Lehmer1985] 를 통하여 중심이항계수가 등장하는 다양한 급수를 소개한 바 있다.


그 중 몇가지는 다음과 같다.

<math>\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n\binom{2n}{n}}=\frac{\pi\sqrt{3}}{9}</math>
<math>\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^{2}\binom{2n}{n}}=\frac{\pi^2}{18}</math>
<math>\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^4\binom{2n}{n}}=\frac{17\pi^4}{3240}</math>


이들은 다음과 같은 역삼각함수의 멱급수표현에 몇가지 다른 것을 더하여 유도가 가능하다.

<math>2(\arcsin x)^2=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(2x)^{2n}}{n^2\binom{2n}{n}}</math>



이 글에서 Lehmer는 중심이항계수와 함께 원주율(파이,π)가 등장하는 다음과 같은 식들을 소개한다.


<math>\sum_{n=1}^{\infty}\frac{2^{n}}{\binom{2n}{n}}=\frac{\pi}{2}+1</math>
<math>\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n2^{n}}{\binom{2n}{n}}=\pi+3</math>
<math>\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n^2 2^{n}}{\binom{2n}{n}}=\frac{7\pi}{2}+11</math>
<math>\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n^3 2^{n}}{\binom{2n}{n}}=\frac{35\pi}{2}+55</math>
<math>\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n^4 2^{n}}{\binom{2n}{n}}=113\pi+355</math>
<math>\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n^{5} 2^{n}}{\binom{2n}{n}} = \frac{1787\pi}{2}+2807</math>
<math>\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n^{6} 2^{n}}{\binom{2n}{n}} = \frac{16717\pi}{2}+26259</math>
<math>\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n^{10} 2^{n}}{\binom{2n}{n}}=229093376\pi+719718067</math>



그리고 일반적으로 자연수 <math>k\in\mathbb{N}</math>에 대하여,

<math>\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n^{k} 2^{n}}{\binom{2n}{n}}=a\pi+b</math> , (a와 b는 유리수)

가 성립하며, b/a는 원주율(파이,π) 의 유리수 근사라는 것을 언급하는데, 그 이유에 대해서는 별다른 설명과 참고문헌을 제시하지 않는다.


다음을 보자.

<math>\pi=3.141592653589793238462643383279502884197169399375\cdots</math>
<math>\frac{355}{133}=3.1415929203539823008849557522123893805309734513274336283185\cdots</math>
<math>\frac{2807\cdot2}{1787}=3.1415780637940682708449916060436485730274202574146614437604\cdots</math>
<math>\frac{26259\cdot 2}{16717}=3.1415923909792426870850032900640066997667045522521983609499\cdots</math>
<math>\frac{719718067}{229093376}=3.141592653468950581967066564159410702472689563926981459298\cdots</math>


355/113이 원주율(파이,π) 에 가까우므로, 355의 두 배에 매우 가까울 것임을 생각할 수 있고, 실제로 다음과 같은 재미있는 식을 얻을 수 있다.

<math>\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n^4 2^{n}}{\binom{2n}{n}}=113\pi+355=709.9999698556466359462787\cdots \approx 710</math>

http://www.wolframalpha.com/input/?i=sum+m^4*2^m/(binom(2m,m))+from+1+to+infinity


왜

<math>\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n^{k} 2^{n}}{\binom{2n}{n}}=a\pi+b</math>

에서, <math>b/a</math>는 원주율(파이,π) 의 유리수 근사가 되는 것일까?

아시는 분은 알려주시길...




재미있는 사실

  • 숫자 163 에 등장하는 다음 식들과는 관계가 없(을 것이)다.:<math>\large e^{\pi \sqrt{163}}=262537412640768743.9999999999992500725\cdots\approx 262537412640768744</math>:<math>e^{\pi \sqrt{67}} = 147197952743.9999986624542245068292613\approx 147197952744</math>



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