π ~計算法の変遷~ 2006年2月17日 明治大学理工学部数学科 鎌田 伊織 吉本 清夏 円周率の計算法の歴史 • 円に内接・外接する正多角形の周長の利用 (アルキメデス(BC3C)・関 孝和(17C)・建部 賢弘(18C)) • 逆正接関数(Arctan)のTaylor展開の利用 (Leibniz(15C)・Sharp((17C)・Machin(18C)) • AGM(算術幾何平均:Arithmetic Geometric Mean) (Salamin-BrentによるGauss-Legendre法(1976)・Borwein法) • DRM(分割有理数化:Divide and Rationalize Method) (後 保範(1998) & 金田 康生(2002)) Arctan級数とは? f ( x) arctan x の両辺を微分すると, 1 2 n f ( x) ( x ) 2 1 x n 0 x 1 項別積分することで, ArctanのTaylor展開が得られる. arctan n 1 (1) n 1 2 n 1 x 1 2n 1 実は, x=1でも成立し, Leibniz級数を得る. 4 x= 1 3 1 1 1 1 1 3 5 7 9 (1) とすると, Sharpの公式が得られる. 6 arctan 1 3 (2) ・ (1)は収束速度が非常に遅く, 効率が悪い ・ (2)は(1)よりはずいぶん速くなる ・ 長い年月をかけて多くの人々が競って計算するようになった Arctan級数の公式1/2 • Machin (1706) 1 1 4 arctan arctan 4 5 239 (当時の最高記録100桁を求め, その後 多くの人に利用された. ) • Euler (1737) (1755) 1 1 arctan arctan 4 2 3 1 3 5 arctan 2 arctan 4 7 79 Arctan級数の公式2/2 • Gauss (1863) 1 1 1 12 arctan 8 arctan 5 arctan 4 18 57 239 (おそらく3項公式で最高効率) (1985年にフェルトンによって1万21桁を得た) 1 1 1 1 12 arctan 20 arctan 7 arctan 24 arctan 4 38 57 239 268 • 高野喜久雄 (1982) (2002年に世界一の1兆2400億桁を達成した公式!) 1 1 1 1 12 arctan 32 arctan 5 arctan 12 arctan 4 49 57 239 110443 実験結果1/3 部分和の項数 j と 誤差log10(π- S( j ))との関係 *S( j )=各公式におけるTaylor 展開の第 j 部分和 *横軸 =項数 j *縦軸 =πとS( j )の誤差の log 10 をとったもの ・ ■ マチンの公式 ・ ■ オイラーの公式① ・ ■ オイラーの公式② ・ ■ ガウスの公式① ・ ■ ガウスの公式② ・ ■ 高野喜久雄の公式 実験結果2/3 <グラフからわかったこと> • 傾きは, それぞれの公式において最も収束速度が遅い項による (収束速度はArctan(x)の|x|が大きいほど遅くなる) • Arctan(x)の|x|が大きい項をもつ公式ほど, |傾き|が小さい • 傾きと|x|のlog10 値を比べてみる Arctanxの|x| 傾き log10 ( x) 1/2 -0.6 -0.301 1/5 -1.4 -0.698 1/7 -1.7 -0.845 1 / 18 -2.5 -1.255 1 / 38 -3.16 -1.579 1 / 49 -3.24 -1.690 * 傾きは log10(x )の2倍 になっている * 次に, この関係を調べる 実験結果3/3 1 1 <Machinの公式( 4 arctan arctan )を例にとって考える> 4 5 239 x 1 1 ,y 5 239 とおき, Taylor展開をすると, (1) k 1 2 k 1 (1) k 1 2 k 1 44 x y 2 k 1 2 k 1 k 1 k 1 となる. また, j での部分和は, j j (1) k 1 2 k 1 (1) k 1 2 k 1 S ( j ) 44 x y 2 k 1 2 k 1 k 1 k 1 よって, πと j での部分和との誤差は, ( 1) j 2 j 1 ( 1) j 2 j 1 x 2 j 1 S ( j ) 4 4 x y ≒ 16 2 j 1 2 j 1 2 j 1 対数をとると log10 S j ≒log10 16 log10 (2 j 1) (2 j 1) log10 x よって,log10xの2倍が傾きになると考えられる. 算術幾何平均とは・・・ ab ・ 2 , ab のことを昔は算術平均・幾何平均と呼んでいた. ・ a0 a, b0 b とし、 an bn an 1 , bn 1 anbn 2 (n 0,1,2) ・数列{an}と{ bn}は共通の極限に収束する. ・この値を a と b の算術幾何平均(arithmetic-geometric mean)と呼び、 M (a, b) で表す. 背景1/3 <Legendreの関係式> (ⅰ)第一種完全楕円積分 dx 1 K (k ) : 0 (1 x )(1 k x ) 2 2 2 2 0 d 1 k sin 2 2 (0 k 1) 第二種完全楕円積分 1 1 k x 0 1 x2 E (k ) : 2 2 2 0 dx 1 k 2 sin 2 d (0 k 1) の間に成り立つLegendreの関係式 K (k ) E (k ) K (k ) E (k ) K (k ) K (k ) 2 k 1 k 2 背景2/3 <Gauss,“the fundamental limit theorem”> 第一種完全楕円積分、第二種完全楕円積分の二変数版を I (a, b) 2 0 d a 2 cos2 b 2 sin 2 , J (a, b) 2 a 2 cos2 b2 sin 2 d 0 で定めると、 1 I ( a, b) , J (a, b) (a 2 n 1 cn2 ) I (a, b) 2 M ( a, b) n 0 が成り立つ.ただし、 cn | an2 bn2 | 背景3/3 1 • Legendreの関係式で k の時、 2 1 1 1 2K E K ① 2 2 2 2 2 ) K (k ) I (1, k ), E (k ) J (1, k ) (k 1 k 2 であるので、 1 1 1 1 n 1 2 K , E (1 2 cn ) M 1, ② 2 2 2 M 1, 1 2 2 n 0 2 ①に②を代入して、 1 2 M 1, 2 1 2 n cn2 n 0 2 ガウス・ルジャンドルの公式 1 1 a0 1, b0 , t0 4 2 として、 以下の反復式を an と bn の差が所要桁以上になるま で計算する. an 1 bn 1 an , bn an 1bn 1 , t n t n 1 2 n 1 (an an 1 ) 2 2 所要桁になったら円周率は、 と求められる. ≒ (an bn ) 2 4tn = ・ ・ 1 2 M 1, 2 2 1 2 n 1 cn2 n 0 と ≒ (an bn ) an bn 1 2 an 1 M 1, 4 2 2 2 2 1 n k 1 t n 2 (ak ak 1 ) 2 4 k 1 また、 (a n bn ) 2 4t n 関係 2 ガウス・ルジャンドルの公式より tn 1 2 n cn2 n 0 2 1 1 n k 2 2 ck 4 2 k 1 1 c0 2 1 1 n k 2 2 ck 2 2 k 0 n 1 2 k 1 ( ak2 bk2 ) 4 k 1 n 1 1 2 c0 2 k ck2 2 2 k 1 n 1 2 k 1 ( ak ak 1 ) 2 4 k 1 誤差の減少の速さ n πとの誤差 1 1.0134E-0003 2 7.3763E-0009 3 1.8313E-0019 4 5.4721E-0041 5 2.4061E-0084 6 2.3086E-0171 7 1.0586E-0345 8 1.1110E-0694 9 -1.5022E-1000 10 -1.5022E-1000 <縦軸:log10 | log10( との誤差 f i g.πとの誤差 )| 横軸:回数n> まとめ • 今回は取り上げられなかったが、ボールウェインの 4次式では計算精度が4倍である • 現在の世界記録は高野喜久雄の(Arctan)公式と DRM法を使って,2002年11月に後 保範氏&金 田 康生氏によって計算された約1兆2400億桁! • 今後もコンピュータの発達によりπの計算記録の樹 立は変わってくると考えられる 参考文献 • (1) E.ハイラー, G.ワナー 著, 蟹江幸博 訳, 解析教程 上, シュ プリンガー・フェアラーク東京 (1997) • (2) 桂田祐史, πノート, 明治大学数学科助教授 (2004) • (3) 清水康生, πの数値解析, 明治大学数学科 2003年度卒業 研究レポート (2004) • (4) ペートル・ベックマン 著, 田尾陽一, 清水韶光 訳, πの歴史, 蒼樹書房 (1973) • (5) 数学文化, Vol.1, 日本数学協会 (2003) • (6)金田康正, πのはなし, 東京書籍 (1991) • (7) 梅村浩, 楕円関数論, 東京大学出版会 (1999) • (8)ドゥラエ・ジャン=ポール(Jean-Paul Delahaye)著, 畑政義 訳, π-魅惑の数, 朝倉書店 (2001) 御静聴ありがとうございました。
© Copyright 2025 ExpyDoc