Серия Мадхава
В математике ряд Мадхавы — одно из трёх разложений ряда Тейлора для синуса , косинуса и арктангенса, функций 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 серии:
Все три серии позже были независимо обнаружены в Европе 17 века. Ряды синуса и косинуса были заново открыты Исааком Ньютоном в 1669 году. [2] а ряд арктангенсов был заново открыт Джеймсом Грегори в 1671 году и Готфридом Лейбницем в 1673 году. [3] и условно называется серией Грегори . Конкретное значение можно использовать для вычисления постоянной окружности π , а арктангенсный ряд для 1 условно называют рядом Лейбница .
Мадхавы В знак признания приоритета в современной литературе эти серии иногда называют сериями Мадхавы-Ньютона . [4] Серия Мадхава-Грегори , [5] или Мадхавы – Лейбница серия [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 Мадхавы в «Собственных словах Мадхавы» [ править ]
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 «Юктидипике» комментарии к «Тантрасамграхе» (также известному как «Тантрасамграха-вьякхья ») в Шанкары Вариара (около 1500–1560 гг. н.э.) . Затем они отображаются в текущих математических обозначениях. [8] [9]
Мадхавы Синусоидальный ряд
По словам Мадхавы [ править ]
Синусоидальная серия Мадхавы изложена в стихах 2.440 и 2.441 в Юкти-дипика комментарии ( 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 [ править ]
Пусть r обозначает радиус круга, а s — длину дуги.
- Сначала формируются следующие числители:
- Затем они делятся на количества, указанные в стихе.
- Поместите дугу и полученные таким образом последовательные результаты один под другим и вычтите каждый из предыдущего, чтобы получить дживу :
Преобразование в текущие обозначения [ править ]
Пусть θ — угол, образуемый 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 в ряд разложение синусоидальной функции по бесконечным степеням.
Мадхавы для численных Переформулировка 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 — радиус круга, четверть которого равна С.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:Затем
- 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:
Нет. | Выражение | Ценить | Значение в системе Катапаяди |
---|---|---|---|
1 | Р × ( π / 2) 3 / 3! | 2220′ 39′′ 40′′′ | ни-рви-ддха-нга-на-ре-ндра-рунг |
2 | Р × ( π / 2) 5 / 5! | 273′ 57′′ 47′′′ | са-рва-ртха-ши-ла-стхи-ро |
3 | Р × ( π / 2) 7 / 7! | 16′ 05′′ 41′′′ | ка-ви-ша-ни-ча-йа |
4 | Р × ( π / 2) 9 / 9! | 33′′ 06′′′ | ту-нна-ба-ла |
5 | Р × ( π / 2) 11 / 11! | 44′′′ | ви-дван |
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-ддха-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.
Мадхавы Косинусный ряд
По словам Мадхавы [ править ]
Косинусный ряд Мадхавы изложен в стихах 2.442 и 2.443 в Юкти-дипика комментарии ( 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 [ править ]
Пусть r обозначает радиус круга, а s — длину дуги.
- Сначала формируются следующие числители:
- Затем они делятся на количества, указанные в стихе.
- Поместите дугу и полученные таким образом последовательные результаты один под другим и вычтите каждый из предыдущего, чтобы получить śara :
Преобразование в текущие обозначения [ править ]
Пусть θ — угол, образованный дугой s в центре круга. Тогда s = rθ и śara = r (1 − cos θ ). Подставив их в последнее выражение и упростив, получим
что дает разложение косинуса в ряд по бесконечной степени.
Мадхавы для численных Переформулировка вычислений
Последняя строка стиха, «собранная вместе в стихе, начинающемся со слов стенна, стри и т. д. », является отсылкой к переформулировке, введенной 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:
Нет. | Выражение | Ценить | Значение в системе Катапаяди |
---|---|---|---|
1 | Р × ( π / 2) 2 / 2! | 4241′ 09′′ 00′′′ | у-на-дха-на-крит-бху-ре-ва |
2 | Р × ( π / 2) 4 / 4! | 872′ 03′′ 05 ′′′ | ми-на-нго-на-ра-сим-ха |
3 | Р × ( π / 2) 6 / 6! | 071′ 43′′ 24′′′ | бха-дра-нга-бха-вья-са-на |
4 | Р × ( π / 2) 8 / 8! | 03′ 09′′ 37′′′ | ухо со мной со мной |
5 | Р × ( π / 2) 10 / 10! | 05′′ 12′′′ | стри-пи-шу-на |
6 | Р × ( π / 2) 12 / 12! | 06′′′ | ты включен |
Теперь шару : можно вычислить по следующей схеме
- Шара = ( 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 [ править ]
По словам Мадхавы [ править ]
Арктангенсальная серия Мадхавы изложена в стихах 2.206–2.209 в Юкти-дипика комментарии ( 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 они были бы 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 [ править ]
Пусть s будет дугой искомого синуса ( jya или jiva ) y . Пусть r — радиус, а x — косинус ( котийя ).
- Первый результат .
- Формируем множитель и делитель .
- Сформируем группу результатов:
- Они делятся по порядку на цифры 1, 3 и т. д.:
- Сумма нечетных результатов:
- Сумма четных результатов:
- Дуга теперь определяется выражением
Преобразование в текущие обозначения [ править ]
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
Другая формула длины окружности [ править ]
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 заменой q = (следовательно, θ = π /6) в разложении в степенной ряд для tan −1 q выше.
Сравнение сходимости различных бесконечных рядов для числа π [ править ]

См. также [ править ]
- Мадхава из Сангамаграмы
- Таблица синусов Мадхавы
- Срок исправления Мадхавы
- Аппроксимант Паде
- Серия Тейлора
- Лоран серии
- Серия Пюизо
Примечания [ править ]
- ^ Гупта 1987 ; Кац 1995 ; Рой 2021 , гл. 1. Серия Power в Керале пятнадцатого века, стр. 1–22.
- ^ Ньютон (1669 г.) Об анализе уравнений с бесконечным числом членов был распространен в виде рукописи, но не публиковался до 1711 г. Контекст см.: Рой 2021 , гл. 8. Об анализе с помощью бесконечных уравнений , с. 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 прислал ему ряды Ньютона по синусам и косинусам. , которая была наконец опубликована только в 1993 году. Однако Генри Ольденбург 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 .
- ↑ 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) . Анналы Будапештского университета наук (компьютерный раздел) . 4 : 75–83.
- ^ Например: Плофкер, Ким (2005). «Отношения между приближениями синуса 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 .
- ^ Например: Гупта 1973 ; Джозеф 2011 , с. 428; Леври, Пол (2011). «Потерянные и найденные: неопубликованное ζ (2) -доказательство». Математический интеллект . 33 : 29–32. дои : 10.1007/s00283-010-9179-y . S2CID 121133743 .
- ^ Например: Гупта 1992 ; Пувро, Дэвид (2015). «Об ускорении сходимости ряда 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 .
- ^ Например, Серия Мадхавы – Грегори – Лейбница : Бенко, Дэвид; Молокач, Джон (2013). «Базельская проблема как перестановка рядов». Математический журнал колледжа . 44 (3): 171–176. дои : 10.4169/college.math.j.44.3.171 . S2CID 124737638 . Серия Мадхавы – Лейбница – 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 путем 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 .
- ^ Сумка 1976 .
- ^ Раджу 2007 , стр. 114–120.
- ^ Раджу 2007 , стр. 119.
- ^ Раджу 2007 , стр. 231.
- ^ О'Коннор, Джон Дж.; Робертсон, Эдмунд Ф. (2000). «Мадхава Сангамаграммы» . MacTutor Архив истории математики .
- ^ Гупта 1973 .
- ^ Сарма 1972 .
Ссылки [ править ]
- Андерсон, Марлоу; Кац, Виктор; Уилсон, Робин, ред. (2004). Шерлок Холмс в «Вавилоне и других рассказах математической истории» . Математическая ассоциация Америки. стр. 107–174. ISBN 978-0-88385-546-1 . JSTOR 10.4169/j.ctt13x0n0r .
- Сумка, Амуля Кумар (1976). «Ряд синусов и косинусов Мадхавы» (PDF) . Индийский журнал истории науки . 11 (1): 54–57. Архивировано из оригинала (PDF) 14 февраля 2010 года.
- Брессуд, Дэвид (2002). «Было ли исчисление изобретено в Индии?» . Математический журнал колледжа . 33 (1): 2–13. дои : 10.1080/07468342.2002.11921911 . Перепечатано в Anderson & al. 2004 , стр. 131–137.
- Голд, Дэвид; Пингри, Дэвид (1991). «До сих пор неизвестная санскритская работа, касающаяся вывода Мадхавой степенного ряда для синуса и косинуса» . История науки . 42 : 49–65.
- Гупта, Радха Чаран (1973). «Серия Мадхава-Грегори». Математическое образование . 7 . Б: 67–70.
- Гупта, Радха Чаран (1975). «Мадхава и другие средневековые индийские ценности Пи». Математическое образование . 9 . Б: 45–48.
- Гупта, Радха Чаран (1976). «Вычисление синуса степенным рядом Мадхавы». Ганита . 27 (1–2): 19–24.
- Гупта, Радха Чаран (1987). «Южноиндийские достижения в средневековой математике». Ганита Бхарати . 9 :15–40. Перепечатано в Рамасубраманиан, К., изд. (2019). Ганитананда: Избранные труды Радхи Чарана Гупты по истории математики . Спрингер. стр. 417–442. дои : 10.1007/978-981-13-1229-8_40 . S2CID 213756968 .
- Гупта, Радха Чаран (1991). «Серия Мадхавы – Грегори для загара ». −1 x ». Индийский журнал математического образования . 11 (3): 107–110.
- Гупта, Радха Чаран (1992). «Об оставшемся члене серии Мадхавы – Лейбница». Ганита Бхарати . 14 (1–4): 68–71.
- Хаяси, Такао; Кусуба, Таканори; Яно, Мичио (1990). «Коррекция серии Мадхавы на длину окружности». Центавр . 33 (2): 149–174. Бибкод : 1990Cent...33..149H . дои : 10.1111/j.1600-0498.1990.tb00725.x .
- Джозеф, Джордж Гевергезе (2011) [1-е изд. 1991]. Герб павлина: неевропейские корни математики (3-е изд.). Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-13526-7 .
- Кац, Виктор Дж. (1995). «Идеи исчисления в исламе и Индии» (PDF) . Журнал «Математика» . 68 (3): 163–174. дои : 10.1080/0025570X.1995.11996307 . JSTOR 2691411 . Перепечатано в Anderson & al. 2004 , стр. 122–130.
- Кац, Виктор Дж. , изд. (2007). «Глава 4: Математика в Индии IV. Школа Кералы». Математика Египта, Месопотемии, Китая, Индии и ислама: Справочник . Издательство Принстонского университета. стр. 480–495. ISBN 978-0-691-11485-9 .
- Плофкер, Ким (2009). Математика в Индии . Принстон: Издательство Принстонского университета. стр. 217–254. ISBN 978-0-691-12067-6 .
- Пувро, Дэвид (2003). Тригонометрия и «серийные разработки» в средневековой Индии (на французском языке). ИРЕМ Тулузы.
- Раджу, Чандракант К. (2007). Культурные основы математики: природа математического доказательства и распространение исчисления из Индии в Европу в 16 веке. СЕ . История науки, философии и культуры в индийской цивилизации. Том. X пт. 4. Нью-Дели: Пирсон Лонгман. ISBN 978-81-317-0871-2 .
- Рой, Ранджан (1990). «Открытие формулы ряда для числа π Лейбницем, Грегори и Нилакантой » (PDF) . Журнал «Математика» . 63 (5): 291–306. дои : 10.1080/0025570X.1990.11977541 . Перепечатано в Anderson & al. 2004 , стр. 111–121.
- Рой, Ранджан (2021) [1-е изд. 2011]. Серии и произведения в развитии математики . Том. 1 (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета.
- Сарма, Кришна Венкатешвара (1972). «2. Ожидание современных математических открытий астрономов Кералы» (PDF) . История школы индийской астрономии Кералы . Хошиарпур: Институт Вишвешварананда. стр. 11–28.
- Ван Браммелен, Глен (2009). «§3.8. Ряды Тейлора для тригонометрических функций в школе Мадхавы в Керале». Математика неба и земли: ранняя история тригонометрии . Издательство Принстонского университета. стр. 113–120. дои : 10.2307/j.ctv1pzk6f0.7 . ISBN 978-0-691-12973-0 .
- Виш, Чарльз М. (1834). «XXXIII. Об индуистской квадратуре круга и бесконечной серии пропорций окружности к диаметру, представленных в четырех шастрах, Тантра Санграхам, Юкти Бхаша, Чарана Падхати и Садратнамака» . Труды Королевского Азиатского общества . 3 (3): 509–523. дои : 10.1017/S0950473700001221 . JSTOR 25581775 .