Produto de Wallis

Em matemática, o produto de Wallis para π, expresso em 1655 por John Wallis, estabelece que

n = 1 ( 2 n 2 n 1 2 n 2 n + 1 ) = 2 1 2 3 4 3 4 5 6 5 6 7 8 7 8 9 = π 2 {\displaystyle \prod _{n=1}^{\infty }\left({\frac {2n}{2n-1}}\cdot {\frac {2n}{2n+1}}\right)={\frac {2}{1}}\cdot {\frac {2}{3}}\cdot {\frac {4}{3}}\cdot {\frac {4}{5}}\cdot {\frac {6}{5}}\cdot {\frac {6}{7}}\cdot {\frac {8}{7}}\cdot {\frac {8}{9}}\cdots ={\frac {\pi }{2}}}
Comparação da convergência do produto de Wallis (asteriscos em roxo) e diversas séries infinitas históricas para π. Sn é a aproximação após tomar n termos. Cada subsequente subplotagem magnifica a área sombreada horizontalmente por 10 vezes. (clicar para detalhe)

Dedução

Wallis deduziu este produto infinito como ele é apresentado atualmente em livros de cálculo, examinando 0 π sin n x d x {\displaystyle \textstyle \int _{0}^{\pi }\sin ^{n}x\,dx} para valores pares e ímpares de n, e notando que para grandes n, aumentando n por 1 resulta em uma mudança que torna-se menor quando n aumenta. Como o cálculo infinitesimal moderno ainda não existia, e a análise matemática naquela época era inadequada para discutir as questões de convergência, esta era uma pesquisa difícil bem como também uma tentativa.

O produto de Wallis é, em retrospecto, um corolário fácil da posterior fórmula de Euler para a função senoidal. Em 2015 os pesquisadores Carl Richard Hagen e Tamar Friedmann, em uma descoberta surpresa, encontraram a mesma fórmula nos cálculos da mecânica quântica dos níveis de energia de um átomo de hidrogênio.[1][2][3][4][5]

Prova usando o produto infinito de Euler para a função seno[6]

sin x x = n = 1 ( 1 x 2 n 2 π 2 ) {\displaystyle {\frac {\sin x}{x}}=\prod _{n=1}^{\infty }\left(1-{\frac {x^{2}}{n^{2}\pi ^{2}}}\right)}

Seja x = π2:

2 π = n = 1 ( 1 1 4 n 2 ) π 2 = n = 1 ( 4 n 2 4 n 2 1 ) = n = 1 ( 2 n 2 n 1 2 n 2 n + 1 ) = 2 1 2 3 4 3 4 5 6 5 6 7 {\displaystyle {\begin{aligned}\Rightarrow {\frac {2}{\pi }}&=\prod _{n=1}^{\infty }\left(1-{\frac {1}{4n^{2}}}\right)\\\Rightarrow {\frac {\pi }{2}}&=\prod _{n=1}^{\infty }\left({\frac {4n^{2}}{4n^{2}-1}}\right)\\&=\prod _{n=1}^{\infty }\left({\frac {2n}{2n-1}}\cdot {\frac {2n}{2n+1}}\right)={\frac {2}{1}}\cdot {\frac {2}{3}}\cdot {\frac {4}{3}}\cdot {\frac {4}{5}}\cdot {\frac {6}{5}}\cdot {\frac {6}{7}}\cdots \end{aligned}}}

Prova usando integração[7]

Seja:

I ( n ) = 0 π sin n x d x {\displaystyle I(n)=\int _{0}^{\pi }\sin ^{n}x\,dx}

(uma forma da integral de Wallis). Integração por partes:

u = sin n 1 x d u = ( n 1 ) sin n 2 x cos x d x d v = sin x d x v = cos x {\displaystyle {\begin{aligned}u&=\sin ^{n-1}x\\\Rightarrow du&=(n-1)\sin ^{n-2}x\cos x\,dx\\dv&=\sin x\,dx\\\Rightarrow v&=-\cos x\end{aligned}}}
I ( n ) = 0 π sin n x d x = sin n 1 x cos x | 0 π 0 π ( cos x ) ( n 1 ) sin n 2 x cos x d x = 0 + ( n 1 ) 0 π cos 2 x sin n 2 x d x , n > 1 = ( n 1 ) 0 π ( 1 sin 2 x ) sin n 2 x d x = ( n 1 ) 0 π sin n 2 x d x ( n 1 ) 0 π sin n x d x = ( n 1 ) I ( n 2 ) ( n 1 ) I ( n ) = n 1 n I ( n 2 ) I ( n ) I ( n 2 ) = n 1 n I ( 2 n 1 ) I ( 2 n + 1 ) = 2 n + 1 2 n {\displaystyle {\begin{aligned}\Rightarrow I(n)&=\int _{0}^{\pi }\sin ^{n}x\,dx\\{}&=-\sin ^{n-1}x\cos x|_{0}^{\pi }-\int _{0}^{\pi }(-\cos x)(n-1)\sin ^{n-2}x\cos x\,dx\\{}&=0+(n-1)\int _{0}^{\pi }\cos ^{2}x\sin ^{n-2}x\,dx,\qquad n>1\\{}&=(n-1)\int _{0}^{\pi }(1-\sin ^{2}x)\sin ^{n-2}x\,dx\\{}&=(n-1)\int _{0}^{\pi }\sin ^{n-2}x\,dx-(n-1)\int _{0}^{\pi }\sin ^{n}x\,dx\\{}&=(n-1)I(n-2)-(n-1)I(n)\\{}&={\frac {n-1}{n}}I(n-2)\\\Rightarrow {\frac {I(n)}{I(n-2)}}&={\frac {n-1}{n}}\\\Rightarrow {\frac {I(2n-1)}{I(2n+1)}}&={\frac {2n+1}{2n}}\end{aligned}}}

Este resultado será usado abaixo:

I ( 0 ) = 0 π d x = x | 0 π = π I ( 1 ) = 0 π sin x d x = cos x | 0 π = ( cos π ) ( cos 0 ) = ( 1 ) ( 1 ) = 2 I ( 2 n ) = 0 π sin 2 n x d x = 2 n 1 2 n I ( 2 n 2 ) = 2 n 1 2 n 2 n 3 2 n 2 I ( 2 n 4 ) {\displaystyle {\begin{aligned}I(0)&=\int _{0}^{\pi }dx=x|_{0}^{\pi }=\pi \\I(1)&=\int _{0}^{\pi }\sin x\,dx=-\cos x|_{0}^{\pi }=(-\cos \pi )-(-\cos 0)=-(-1)-(-1)=2\\I(2n)&=\int _{0}^{\pi }\sin ^{2n}x\,dx={\frac {2n-1}{2n}}I(2n-2)={\frac {2n-1}{2n}}\cdot {\frac {2n-3}{2n-2}}I(2n-4)\end{aligned}}}

Repetindo o processo,

= 2 n 1 2 n 2 n 3 2 n 2 2 n 5 2 n 4 5 6 3 4 1 2 I ( 0 ) = π k = 1 n 2 k 1 2 k {\displaystyle ={\frac {2n-1}{2n}}\cdot {\frac {2n-3}{2n-2}}\cdot {\frac {2n-5}{2n-4}}\cdot \cdots \cdot {\frac {5}{6}}\cdot {\frac {3}{4}}\cdot {\frac {1}{2}}I(0)=\pi \prod _{k=1}^{n}{\frac {2k-1}{2k}}}
I ( 2 n + 1 ) = 0 π sin 2 n + 1 x d x = 2 n 2 n + 1 I ( 2 n 1 ) = 2 n 2 n + 1 2 n 2 2 n 1 I ( 2 n 3 ) {\displaystyle I(2n+1)=\int _{0}^{\pi }\sin ^{2n+1}x\,dx={\frac {2n}{2n+1}}I(2n-1)={\frac {2n}{2n+1}}\cdot {\frac {2n-2}{2n-1}}I(2n-3)}

Repetindo o processo,

= 2 n 2 n + 1 2 n 2 2 n 1 2 n 4 2 n 3 6 7 4 5 2 3 I ( 1 ) = 2 k = 1 n 2 k 2 k + 1 {\displaystyle ={\frac {2n}{2n+1}}\cdot {\frac {2n-2}{2n-1}}\cdot {\frac {2n-4}{2n-3}}\cdot \cdots \cdot {\frac {6}{7}}\cdot {\frac {4}{5}}\cdot {\frac {2}{3}}I(1)=2\prod _{k=1}^{n}{\frac {2k}{2k+1}}}
sin 2 n + 1 x sin 2 n x sin 2 n 1 x , 0 x π {\displaystyle \sin ^{2n+1}x\leq \sin ^{2n}x\leq \sin ^{2n-1}x,0\leq x\leq \pi }
I ( 2 n + 1 ) I ( 2 n ) I ( 2 n 1 ) {\displaystyle \Rightarrow I(2n+1)\leq I(2n)\leq I(2n-1)}
1 I ( 2 n ) I ( 2 n + 1 ) I ( 2 n 1 ) I ( 2 n + 1 ) = 2 n + 1 2 n {\displaystyle \Rightarrow 1\leq {\frac {I(2n)}{I(2n+1)}}\leq {\frac {I(2n-1)}{I(2n+1)}}={\frac {2n+1}{2n}}} , from above results.

Pelo teorema do confronto,

lim n I ( 2 n ) I ( 2 n + 1 ) = 1 {\displaystyle \Rightarrow \lim _{n\rightarrow \infty }{\frac {I(2n)}{I(2n+1)}}=1}
lim n I ( 2 n ) I ( 2 n + 1 ) = π 2 lim n k = 1 n ( 2 k 1 2 k 2 k + 1 2 k ) = 1 {\displaystyle \lim _{n\rightarrow \infty }{\frac {I(2n)}{I(2n+1)}}={\frac {\pi }{2}}\lim _{n\rightarrow \infty }\prod _{k=1}^{n}\left({\frac {2k-1}{2k}}\cdot {\frac {2k+1}{2k}}\right)=1}
π 2 = k = 1 ( 2 k 2 k 1 2 k 2 k + 1 ) = 2 1 2 3 4 3 4 5 6 5 6 7 {\displaystyle \Rightarrow {\frac {\pi }{2}}=\prod _{k=1}^{\infty }\left({\frac {2k}{2k-1}}\cdot {\frac {2k}{2k+1}}\right)={\frac {2}{1}}\cdot {\frac {2}{3}}\cdot {\frac {4}{3}}\cdot {\frac {4}{5}}\cdot {\frac {6}{5}}\cdot {\frac {6}{7}}\cdot \cdots }

Relação com a aproximação de Stirling

A fórmula de Stirling para n! estabelece que

n ! = 2 π n ( n e ) n [ 1 + O ( 1 n ) ] {\displaystyle n!={\sqrt {2\pi n}}{\left({\frac {n}{e}}\right)}^{n}\left[1+O\left({\frac {1}{n}}\right)\right]} .

Considere agora as aproximações finitas para o produto de Wallis, obtidas tomando os primeiros k termos no produto:

p k = n = 1 k 2 n 2 n 1 2 n 2 n + 1 {\displaystyle p_{k}=\prod _{n=1}^{k}{\frac {2n}{2n-1}}{\frac {2n}{2n+1}}}

pk pode ser expresso como

p k = 1 2 k + 1 n = 1 k ( 2 n ) 4 [ ( 2 n ) ( 2 n 1 ) ] 2 = 1 2 k + 1 2 4 k ( k ! ) 4 [ ( 2 k ) ! ] 2 {\displaystyle {\begin{aligned}p_{k}&={1 \over {2k+1}}\prod _{n=1}^{k}{\frac {(2n)^{4}}{[(2n)(2n-1)]^{2}}}\\&={1 \over {2k+1}}\cdot {{2^{4k}\,(k!)^{4}} \over {[(2k)!]^{2}}}\end{aligned}}}

Substituindo a aproximação de Stirling nesta expressão (para k! e (2k)!) pode-se deduzir (após curto cálculo) que pk converge para π2 quando k → ∞.

ζ'(0)[6]

A função zeta de Riemann e a função eta de Dirichlet podem ser difinidas:

ζ ( s ) = n = 1 1 n s , ( s ) > 1 η ( s ) = ( 1 2 1 s ) ζ ( s ) = n = 1 ( 1 ) n 1 n s , ( s ) > 0 {\displaystyle {\begin{aligned}\zeta (s)&=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{s}}},\Re (s)>1\\\eta (s)&=(1-2^{1-s})\zeta (s)\\&=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n-1}}{n^{s}}},\Re (s)>0\end{aligned}}}

Aplicando uma transformação de Euler à última série, obtém-se o seguinte

η ( s ) = 1 2 + 1 2 n = 1 ( 1 ) n 1 [ 1 n s 1 ( n + 1 ) s ] , ( s ) > 1 η ( s ) = ( 1 2 1 s ) ζ ( s ) + 2 1 s ( ln 2 ) ζ ( s ) = 1 2 n = 1 ( 1 ) n 1 [ ln n n s ln ( n + 1 ) ( n + 1 ) s ] , ( s ) > 1 {\displaystyle {\begin{aligned}\eta (s)&={\frac {1}{2}}+{\frac {1}{2}}\sum _{n=1}^{\infty }(-1)^{n-1}\left[{\frac {1}{n^{s}}}-{\frac {1}{(n+1)^{s}}}\right],\Re (s)>-1\\\Rightarrow \eta '(s)&=(1-2^{1-s})\zeta '(s)+2^{1-s}(\ln 2)\zeta (s)\\&=-{\frac {1}{2}}\sum _{n=1}^{\infty }(-1)^{n-1}\left[{\frac {\ln n}{n^{s}}}-{\frac {\ln(n+1)}{(n+1)^{s}}}\right],\Re (s)>-1\end{aligned}}}
η ( 0 ) = ζ ( 0 ) ln 2 = 1 2 n = 1 ( 1 ) n 1 [ ln n ln ( n + 1 ) ] = 1 2 n = 1 ( 1 ) n 1 ln n n + 1 = 1 2 ( ln 1 2 ln 2 3 + ln 3 4 ln 4 5 + ln 5 6 ) = 1 2 ( ln 2 1 + ln 2 3 + ln 4 3 + ln 4 5 + ln 6 5 + ) = 1 2 ln ( 2 1 2 3 4 3 4 5 ) = 1 2 ln π 2 ζ ( 0 ) = 1 2 ln ( 2 π ) {\displaystyle {\begin{aligned}\Rightarrow \eta '(0)&=-\zeta '(0)-\ln 2=-{\frac {1}{2}}\sum _{n=1}^{\infty }(-1)^{n-1}\left[\ln n-\ln(n+1)\right]\\&=-{\frac {1}{2}}\sum _{n=1}^{\infty }(-1)^{n-1}\ln {\frac {n}{n+1}}\\&=-{\frac {1}{2}}\left(\ln {\frac {1}{2}}-\ln {\frac {2}{3}}+\ln {\frac {3}{4}}-\ln {\frac {4}{5}}+\ln {\frac {5}{6}}-\cdots \right)\\&={\frac {1}{2}}\left(\ln {\frac {2}{1}}+\ln {\frac {2}{3}}+\ln {\frac {4}{3}}+\ln {\frac {4}{5}}+\ln {\frac {6}{5}}+\cdots \right)\\&={\frac {1}{2}}\ln \left({\frac {2}{1}}\cdot {\frac {2}{3}}\cdot {\frac {4}{3}}\cdot {\frac {4}{5}}\cdot \cdots \right)={\frac {1}{2}}\ln {\frac {\pi }{2}}\\\Rightarrow \zeta '(0)&=-{\frac {1}{2}}\ln \left(2\pi \right)\end{aligned}}}

Referências

  1. Friedmann, Tamar; Hagen, C. R. (2015). «Quantum mechanical derivation of the Wallis formula for π». Journal of Mathematical Physics. 56: 112101. Bibcode:2015JMP....56k2101F. arXiv:1510.07813Acessível livremente. doi:10.1063/1.4930800 
  2. "Discovery of classic pi formula a 'cunning piece of magic'." University of Rochester (November 10, 2015
  3. "New derivation of pi links quantum physics and pure math." American Institute of Physics (November 10, 2015)
  4. "New derivation of pi links quantum physics and pure math." Phys.org (November 10, 2015)
  5. "Revealing the hidden connection between pi and Bohr's hydrogen model." Physics World (November 17, 2015)
  6. a b «Wallis Formula» 
  7. «Integrating Powers and Product of Sines and Cosines: Challenging Problems» 

Ligações externas

  • Hazewinkel, Michiel, ed. (2001), «Wallis formula», Enciclopédia de Matemática, ISBN 978-1-55608-010-4 (em inglês), Springer 
  • «Why does this product equal π/2? A new proof of the Wallis formula for π.». 3Blue1Brown. 20 de abril de 2018 – via YouTube