歐拉數及圓周率
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歐拉數 () 和圓周率 () 被認為是數學中最重要的兩個超越數(transcendental number,若一數為之根,其中為某一至少一次的整係數多項式,則此數稱為代數數 ( algebraic number ),否則稱為超越數)。例如,皆為代數數,前者為之根,後者為之根。底下我們各以兩種不同的方式來引進歐拉數及圓周率,並以互動式範例來展現其趨近速度的快慢。
例 1. 我們先考慮數列,其中
。
顯然,為漸增。其次
即以 3 為一上界。故收斂至一實數。歐拉(Euler,1707-1783)似乎是第一位體會到此數之重要性的數學家,並以來表示。由於為時 之極限,故可表示為
例 2. 我們再來看另一種常見的引進的方法。考慮數列
則由二項式定理 ( Binomial Theorem ) 可得
又由上面第三個等號之右側可看出的每一項對漸增,且比多一正的項,故為一漸增且有界之數列。故得證存在。
接著證明。對,仍由前述第三個等號之右側可得
若先固定,而令,則上式左側趨近至,而右側趨近至。即有 ,而又有,因此
令,由夾擠定理便得。
例 3. 阿基米德(Archimedes,西元前 287-212)以單位圓的內接正多邊形的面積(以表之)來逼近圓面積。則因每一小扇形的面積為,故
再利用三角函數的公式,只要,
得
現考慮數列,即邊數依序為。也就是這些內接正多邊形的頂點,為不斷地取原弧中點而得。由幾何中的結果立即看出形成一漸增且有界的數列,故其極限存在,且
例 4. Gregory(1638-1675)在西元1671年給出一 arctanx 之級數表示法,西元1674年,萊布尼茲(Leibniz,1646-1716)由此級數得到一關於之極簡潔的公式:
進一步閱讀資料:
1. 黃文璋 (2002) . 歐拉數及圓周率。微積分講義第一章。國立高雄大學應用數學系。
2. 黃文璋 (1999). 歐拉數與圓周率。數學欣賞一書第十一章。華泰文化事業股份有限公司,台北。