stringtranslate.com

Серия Мадхава

В математике ряд Мадхавы — одно из трёх разложений ряда Тейлора для функций синуса , косинуса и арктангенса, открытых в 14 или 15 веке в Керале , Индия , математиком и астрономом Мадхавой из Сангамаграмы (ок. 1350 — ок. 1425). или его последователи в Керальской школе астрономии и математики . [1] Используя современные обозначения, это следующие ряды:

Все три серии позже были независимо обнаружены в Европе 17 века. Ряды для синуса и косинуса были заново открыты Исааком Ньютоном в 1669 году [2] , а ряд для арктангенса был заново открыт Джеймсом Грегори в 1671 году и Готфридом Лейбницем в 1673 году [3] и условно называется рядом Грегори . Конкретное значение можно использовать для вычисления постоянной окружности π , а арктангенсный ряд для 1 условно называют рядом Лейбница .

В знак признания приоритета Мадхавы в недавней литературе эти ряды иногда называют сериями Мадхавы-Ньютона , [4] сериями Мадхавы-Грегори , [5] или сериями Мадхавы-Лейбница [6] (среди других комбинаций). [7]

Ни одна из сохранившихся работ Мадхавы не содержит явных утверждений относительно выражений, которые сейчас называются сериями Мадхавы. Однако в трудах более поздних математиков керальской школы Нилаканты Сомаяджи и Джьештхадевы можно найти недвусмысленное приписывание этих рядов Мадхаве. Эти более поздние работы также включают доказательства и комментарии, которые показывают, как Мадхава мог прийти к этой серии.

Серия «Мадхава» в «Собственных словах Мадхавы»

Ни одно из произведений Мадхавы, содержащее какие-либо приписываемые ему серии выражений, не сохранилось. Эти ряды выражений встречаются в трудах последователей Мадхавы в школе Кералы . Во многих местах эти авторы ясно заявляли, что это «так, как сказал Мадхава». Таким образом, можно с уверенностью предположить, что изложения различных серий, встречающиеся в «Тантрасамграхе» и комментариях к ней, сделаны «собственными словами Мадхавы». Ниже воспроизводятся переводы соответствующих стихов, приведенные в комментарии «Юктидипика» к «Тантрасамграхе» (также известному как «Тантрасамграха-вьякхья ») Шанкары Вариара (около 1500–1560 гг. н.э.). Затем они отображаются в текущих математических обозначениях. [8] [9]

Синусоидальный ряд Мадхавы

По словам Мадхавы

Синусоидальный ряд Мадхавы изложен в стихах 2.440 и 2.441 в комментарии Юкти-дипика ( Тантрасамграха-вьякья ) Шанкары Вариара . Далее следует перевод стихов.

Умножьте дугу на квадрат дуги и повторите результат (любое количество раз). Разделите на квадраты последовательных четных чисел (таких, чтобы текущее умножалось на предыдущее), умноженное на это число и умноженное на квадрат радиуса. Поместите дугу и полученные таким образом последовательные результаты один под другим и вычтите каждый из предыдущего. Вместе они дают дживу [синус], собранную вместе в стихе, начинающемся с «видван» и т. д.

Рендеринг в современных обозначениях

Пусть r обозначает радиус круга, а s — длину дуги.

Преобразование в текущие обозначения

Пусть θ — угол, образованный дугой s в центре круга. Тогда s = r θ и джива = r sin θ . Подставив их в последнее выражение и упростив, получим

что представляет собой разложение синусоидальной функции в ряд по бесконечным степеням .

Переформулировка Мадхавы для численных вычислений

Последняя строка в стихе, собранная вместе в стихе, начинающемся с «видван» и т. д. , является ссылкой на переформулировку ряда, введенную самим Мадхавой, чтобы сделать ее удобной для простых вычислений для заданных значений дуги и радиуса. . Для такой переформулировки Мадхава рассматривает круг, четверть которого имеет длину 5400 минут (скажем, C минут), и разрабатывает схему для простых вычислений джив различных дуг такого круга. Пусть R будет радиусом круга, четверть которого равна C. Мадхава уже вычислил значение π, используя свою формулу ряда для π . [10] Используя это значение π , а именно 3,1415926535922, радиус R вычисляется следующим образом: Тогда

R = 2 × 5400 / π = 3437,74677078493925 = 3437 угловых минут 44 угловых секунды 48 шестидесятых угловой секунды = 3437’ 44’’ 48’’’.

Выражение Мадхавы для дживы , соответствующей любой дуге круга радиуса R, эквивалентно следующему:

Мадхава теперь вычисляет следующие значения:

Теперь дживу можно вычислить по следующей схеме:

джива знак равно s - ( s / C ) 3 [ (2220′ 39′′ 40′′′) - ( s / C ) 2 [ (273′ 57′′ 47′′′) - ( s / C ) 2 [ ( 16 '05'' 41''') - ( s / C ) 2 [ (33'' 06''') - ( s / C ) 2 (44''' ) ] ] ] ].

Это дает аппроксимацию дживы ее полиномом Тейлора 11-го порядка. Он включает в себя только одно деление, шесть умножений и пять вычитаний. Мадхава описывает эту численно эффективную вычислительную схему в следующих словах (перевод стиха 2.437 в «Юкти-дипике» ):

ви-дван, ту-нна-ба-ла, ка-ви-ша-ни-ча-йа, са-рва-ртха-ши-ла-стхи-ро, ни-рви-дха-нга-на-ре- ндра-рунг. Последовательно умножьте эти пять чисел по порядку на квадрат дуги, разделенный на четверть окружности (5400 футов), и вычтите из следующего числа. (Продолжите этот процесс с полученным таким образом результатом и следующим числом.) Умножьте окончательный результат на куб дуги, разделенный на четверть окружности, и вычтите из дуги.

Косинусный ряд Мадхавы

По словам Мадхавы

Косинусный ряд Мадхавы изложен в стихах 2.442 и 2.443 в комментарии Юкти-дипика ( Тантрасамграха-вьякхья ) Шанкары Вариара . Далее следует перевод стихов.

Умножьте квадрат дуги на единицу измерения (т. е. на радиус) и повторите результат (любое количество раз). Разделите (каждый из приведенных выше числителей) на квадрат последовательных четных чисел, уменьшенных на это число и умноженных на квадрат радиуса. Но первый член (сейчас) (тот, который есть) делится на двойной радиус. Поместите полученные таким образом последовательные результаты один под другим и вычтите каждый из предыдущего. Вместе они дают шару, собранную вместе в стихе, начинающуюся со слов stena, stri и т. д.

Рендеринг в современных обозначениях

Пусть r обозначает радиус круга, а s — длину дуги.

Преобразование в текущие обозначения

Пусть θ — угол, образованный дугой s в центре круга. Тогда s = и śara = r (1 − cos θ ). Подставив их в последнее выражение и упростив, получим

что дает разложение косинуса в ряд по бесконечной степени.

Переформулировка Мадхавы для численных вычислений

Последняя строка стиха, « собранная вместе в стихе, начинающемся со слов stena, stri и т. д. », является ссылкой на переформулировку, введенную самим Мадхавой, чтобы сделать ряд удобным для простых вычислений для заданных значений дуги и радиуса. Как и в случае с синусоидальным рядом, Мадхава рассматривает круг, четверть которого имеет продолжительность 5400 минут (скажем, C минут), и разрабатывает схему для простых вычислений шар различных дуг такого круга. Пусть R — радиус круга, четверть которого равна C. Тогда, как и в случае с синусоидальным рядом, Мадхава получает R = 3437′ 44′′ 48′′′.

Выражение Мадхавы для шары , соответствующей любой дуге s круга радиуса R, эквивалентно следующему:

Мадхава теперь вычисляет следующие значения:

Теперь шару можно вычислить по следующей схеме:

шара знак равно ( s / C ) 2 [ (4241′ 09′′ 00′′′) - ( s / C ) 2 [ (872′ 03′′ 05 "′) − ( s / C ) 2 [ (071′ 43'' 24''') - ( s / C ) 2 [ (03' 09'' 37''') - ( s / C ) 2 [(05'' 12''') - (s / C) 2 (06′′′) ] ] ] ] ]

Это дает аппроксимацию Шары ее полиномом Тейлора 12-го порядка. Это также включает только одно деление, шесть умножений и пять вычитаний. Мадхава описывает эту численно эффективную вычислительную схему в следующих словах (перевод стиха 2.438 в «Юкти-дипике» ):

Шесть стен: стрипишуна, сугандхинагануд, бхадрангабхавьясана, минангонарасимха, унадханакритбхурева. Умножьте на квадрат дуги, разделенный на четверть окружности, и вычтите из следующего числа. (Продолжайте с результатом и следующим числом.) Окончательным результатом будет уткрама-джья (знак R).

Арктангенсный ряд Мадхавы

По словам Мадхавы

Арктангенсальная серия Мадхавы изложена в стихах 2.206–2.209 в комментарии Юкти-дипика ( Тантрасамграха-вьякхья ) Шанкары Вариара . Ниже приводится перевод стихов. [11] Джьештхадева также дал описание этой серии в «Юктибхасе» . [12] [13] [14]

Теперь, с помощью точно такого же рассуждения, можно (сделать) определение дуги искомого синуса. То есть: Первый результат — это произведение искомого синуса и радиуса, деленное на косинус дуги. Когда кто-то сделал квадрат синуса множителем, а квадрат косинуса делителем, теперь группа результатов должна быть определена из (предыдущих) результатов, начиная с первого. Когда они делятся по порядку на нечетные числа 1, 3 и т. д. и когда сумма четных (-нумерованных) результатов вычитается из суммы нечетных (единиц), это должна быть дуга. Здесь искомым (синусом) требуется считать меньший из синуса и косинуса. В противном случае не было бы прекращения результатов, даже если бы они были неоднократно (вычислены).

С помощью того же рассуждения длину окружности можно вычислить и другим способом. То есть (следующее): Первый результат должен быть квадратным корнем из квадрата диаметра, умноженного на двенадцать. С этого момента результат следует делить на три (в) каждом последующем (случайе). Если их разделить по порядку на нечетные числа, начиная с 1, и вычесть (четные) результаты из суммы нечетных, (это) должна быть длина окружности.

Рендеринг в современных обозначениях

Пусть s будет дугой искомого синуса ( jya или jiva ) y . Пусть r — радиус, а x — косинус ( котийя ).

Преобразование в текущие обозначения

Пусть θ — угол, образованный дугой s в центре круга. Тогда s = r θ, x = kotijya = r cos θ и y = jya = r sin θ. Тогда y / x = tan θ. Подставив их в последнее выражение и упростив, получим

Полагая tan θ = q, мы наконец имеем

Еще одна формула длины окружности.

Во второй части цитируемого текста указана другая формула для вычисления длины окружности c круга диаметром d . Это происходит следующим образом.

Поскольку c = π d, это можно переформулировать в формулу для вычисления π следующим образом.

Это получается путем подстановки q = (следовательно, θ = π /6) в разложение в степенной ряд для tan −1 q выше.

Сравнение сходимости различных бесконечных рядов по π


Сравнение сходимости двух рядов Мадхавы (того, что с 12 темно-синим цветом) и нескольких исторических бесконечных рядов для π . Sn аппроксимация после взятия n членов. Каждый последующий подграфик увеличивает заштрихованную область по горизонтали в 10 раз. (нажмите для подробностей)

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Гупта 1987; Кац 1995; Рой 2021, гл. 1. Серия Power в Керале пятнадцатого века, стр. 1–22.
  2. ^ Ньютон (1669) De analysi per aequationes numero terminorum infinitas был распространен в виде рукописи, но не публиковался до 1711 года. Контекст см.:
    Рой 2021, гл. 8. De Analysi per Aequationes Infinitas , стр. 165–185.
    Позже Лейбниц включил серию для синуса и косинуса в книгу Лейбница (1676) Dequadatura arithmetica circuli ellipseos et Hyperbola cujus corollarium est trigonometria sine tabulis , которая была наконец опубликована только в 1993 году. Однако Генри Ольденбург прислал ему ряды Ньютона по синусам и косинусам. в 1675 году и не утверждал, что открыл их. Видеть:
    Пробст, Зигмунд (2015). «Лейбниц как читатель и второй изобретатель: случаи Барроу и Менголи». В Гете, Н.; Били, П.; Рабуэн, Д. (ред.). Г.В. Лейбниц, Взаимосвязь математики и философии . Архимед. Том. 41. Спрингер. стр. 111–134. дои : 10.1007/978-94-017-9664-4_6. ISBN 978-94-017-9663-7.
  3. Грегори получил письмо от Джона Коллинза, включающее ряды синусов и косинусов Ньютона, в конце 1670 года. Он открыл общий ряд Тейлора и в 1671 году отправил Коллинзу теперь знаменитое письмо, включающее несколько конкретных рядов, включая арктангенс. См. Рой, 1990.
    Хорват, Миклош (1983). «О лейбницевой квадратуре круга» (PDF) . Annales Universitatis Scientiarum Buddhaiensis (Sectio Computatorica) . 4 : 75–83.
  4. ^ Например:
    Плофкер, Ким (2005). «Отношения между приближениями к синусу в математике Кералы». В Эмче — Жерар Г.; Шридхаран, Р.; Шринивас, доктор медицины (ред.). Вклад в историю индийской математики . Гургаон: Книжное агентство Индостан. стр. 135–152. дои : 10.1007/978-93-86279-25-5_6. ISBN 978-81-85931-58-6.
    Филали, Махмуд (2012). «Гармонический анализ и приложения». Кибернет . 41 : 129–144. дои : 10.1108/03684921211213160. S2CID  206377839.
  5. ^ Например: Гупта 1973; Джозеф 2011, с. 428;
    Леври, Пол (2011). «Потерянные и найденные: неопубликованное ζ (2) -доказательство». Математический интеллект . 33 : 29–32. doi : 10.1007/s00283-010-9179-y. S2CID  121133743.
  6. ^ Например: Гупта 1992;
    Пувро, Дэвид (2015). «Ускорение сближения серии Мадхавы-Лейбница». Квадратура (на французском языке). 97 : 17–25.
    Янг, Пол Томас (2022). «От Мадхавы – Лейбница до предела Лемера». Американский математический ежемесячник . 129 (6): 524–538. дои : 10.1080/00029890.2022.2051405. S2CID  247982859.
  7. ^ Например,
    Серия Мадхавы – Грегори – Лейбница : Бенко, Давид; Молокач, Джон (2013). «Базельская проблема как перестановка рядов». Математический журнал колледжа . 44 (3): 171–176. doi : 10.4169/college.math.j.44.3.171. S2CID  124737638.
    Серия Мадхава-Лейбниц-Грегори : Данези, Марсель (2021). «1. Открытие π и его проявлений». Пи ( π ) в природе, искусстве и культуре . Брилл. стр. 1–30. дои : 10.1163/9789004433397_002. ISBN 978-90-04-43337-3. S2CID  242107102.
    Серия Нилаканта-Грегори : Кэмпбелл, Пол Дж. (2004). «Борвейн, Джонатан и Дэвид Бейли, Математика посредством эксперимента ». Отзывы. Журнал «Математика» . 77 (2): 163. дои :10.1080/0025570X.2004.11953245. S2CID  218541218.
    Формула Грегори-Лейбница-Нилаканты : Гавронская, Наталья; Слота, Дамиан; Витула, Роман; Зеленка, Адам (2013). «Некоторые обобщения степенных рядов Грегори и их приложения» (PDF) . Журнал прикладной математики и вычислительной механики . 12 (3): 79–91. дои : 10.17512/jamcm.2013.3.09.
  8. ^ Сумка 1976.
  9. ^ Раджу 2007, стр. 114–120.
  10. ^ Раджу 2007, с. 119.
  11. ^ Раджу 2007, с. 231.
  12. ^ О'Коннор, Джон Дж.; Робертсон, Эдмунд Ф. (2000). «Мадхава Сангамаграммы». MacTutor Архив истории математики .
  13. ^ Гупта 1973.
  14. ^ Сарма 1972.

Рекомендации