마친(Machin)의 공식

수학노트
Pythagoras0 (토론 | 기여)님의 2013년 12월 2일 (월) 15:09 판
둘러보기로 가기 검색하러 가기
The printable version is no longer supported and may have rendering errors. Please update your browser bookmarks and please use the default browser print function instead.

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



관련된 학부 과목과 미리 알고 있으면 좋은 것들



관련된 항목들


매스매티카 파일 및 계산 리소스


사전형태의 참고자료



관련논문

원본 주소 "https://wiki.mathnt.net/index.php?title=마친(Machin)의_공식&oldid=28651"