المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر
زكاة الفطرة
2024-11-05
زكاة الغنم
2024-11-05
زكاة الغلات
2024-11-05
تربية أنواع ماشية اللحم
2024-11-05
زكاة الذهب والفضة
2024-11-05
ماشية اللحم في الولايات المتحدة الأمريكية
2024-11-05


Infinite Product  
  
2501   10:15 مساءً   date: 2-11-2019
Author : Abramowitz, M. and Stegun, I. A.
Book or Source : Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover,
Page and Part : ...


Read More
Date: 3-6-2020 1263
Date: 12-8-2020 564
Date: 2-2-2021 1348

Infinite Product

 

A product involving an infinite number of terms. Such products can converge. In fact, for positive a_n, the product product_(n=1)^(infty)a_n converges to a nonzero number iff sum_(n=1)^(infty)lna_n converges.

 

Infinite products can be used to define the cosine

 cosx=product_(n=1)^infty[1-(4x^2)/(pi^2(2n-1)^2)],

(1)

gamma function

 Gamma(z)=[ze^(gammaz)product_(r=1)^infty(1+z/r)e^(-z/r)]^(-1),

(2)

sine, and sinc function. They also appear in polygon circumscribing,

 K=product_(n=3)^infty1/(cos(pi/n)).

(3)

An interesting infinite product formula due to Euler which relates pi and the nth prime p_n is

pi = 2/(product_(n=1)^(infty)[1+(sin(1/2pip_n))/(p_n)])

(4)

= 2/(product_(n=2)^(infty)[1+((-1)^((p_n-1)/2))/(p_n)])

(5)

(Blatner 1997). Knar's formula gives a functional equation for the gamma function Gamma(x) in terms of the infinite product

 Gamma(1+v)=2^(2v)product_(m=1)^infty[pi^(-1/2)Gamma(1/2+2^(-m)v)].

(6)

A regularized product identity is given by

 infty!=product_(k=1)^^^inftyk=sqrt(2pi)

(7)

(Muñoz Garcia and Pérez-Marco 2003, 2008).

Mellin's formula states

(8)

where psi_0(x) is the digamma function and Gamma(x) is the gamma function.

The following class of products

product_(n=2)^(infty)(n^2-1)/(n^2+1) = picschpi

(9)

product_(n=2)^(infty)(n^3-1)/(n^3+1) = 2/3

(10)

product_(n=2)^(infty)(n^4-1)/(n^4+1) = -1/2pisinhpicsc[(-1)^(1/4)pi]csc[(-1)^(3/4)pi]

(11)

= (pisinh(pi))/(cosh(sqrt(2)pi)-cos(sqrt(2)pi))

(12)

product_(n=2)^(infty)(n^5-1)/(n^5+1) = (2Gamma(-(-1)^(1/5))Gamma((-1)^(2/5))Gamma(-(-1)^(3/5))Gamma((-1)^(4/5)))/(5Gamma((-1)^(1/5))Gamma(-(-1)^(2/5))Gamma((-1)^(3/5))Gamma(-(-1)^(4/5)))

(13)

(Borwein et al. 2004, pp. 4-6), where Gamma(z) is the gamma function, the first of which is given in Borwein and Corless (1999), can be done analytically. In particular, for r>1,

(14)

where omega_k=e^(ipi/k) (Borwein et al. 2004, pp. 6-7). It is not known if (13) is algebraic, although it is known to satisfy no integer polynomial with degree less than 21 and Euclidean norm less than 5×10^(18) (Borwein et al. 2004, p. 7).

Products of the following form can be done analytically,

(15)

where x_iy_i, and z_i are the roots of

x^3-5x^2+10x-10 = 0

(16)

y^4-6y^3+15y^2-20y+15 = 0

(17)

z^4-5z^3+10z^2-10z+5 = 0,

(18)

respectively, can also be done analytically. Note that (17) and (18) were unknown to Borwein and Corless (1999). These are special cases of the result that

(19)

if a_0=b_0=1 and a_1=b_1, where r_i is the ith root of sum_(j=0)^(p)a_j/k^j and s_i is the ith root of sum_(j=0)^(q)b_j/k^j (P. Abbott, pers. comm., Mar. 30, 2006).

For k>=2,

 product_(n=2)^infty(1-1/(n^k))={1/(kproduct_(j=1)^(k-1)Gamma((-1)^(1+j(1+1/k))))   for k odd; (product_(j=1)^((k/2)-1)sin[pi(-1)^(2j/k)])/(k(pii)^((k/2)-1))   for k even

(20)

(D. W. Cantrell, pers. comm., Apr. 18, 2006). The first few explicit cases are

product_(n=2)^(infty)(1-1/(n^2)) = 1/2

(21)

product_(n=2)^(infty)(1-1/(n^3)) = (cosh(1/2pisqrt(3)))/(3pi)

(22)

= 1/(3Gamma((-1)^(1/3))Gamma(-(-1)^(2/3)))

(23)

product_(n=2)^(infty)(1-1/(n^4)) = (sinhpi)/(4pi)

(24)

product_(n=2)^(infty)(1-1/(n^5)) = 1/(5Gamma((-1)^(1/5))Gamma(-(-1)^(2/5))Gamma((-1)^(3/5))Gamma(-(-1)^(4/5)))

(25)

product_(n=2)^(infty)(1-1/(n^6)) = (1+cosh(pisqrt(3)))/(12pi^2).

(26)

These are a special case of the general formula

 product_(k=1)^infty(1-(x^n)/(k^n))=-1/(x^n)product_(k=0)^(n-1)1/(Gamma(-e^(2piik/n)x))

(27)

(Prudnikov et al. 1986, p. 754).

Similarly, for k>=2,

 product_(n=1)^infty(1+1/(n^k))={1/(product_(j=1)^(k-1)Gamma[(-1)^(j(1+1/k))])   for k odd; (product_(j=1)^(k/2)sin[pi(-1)^((2j-1)/k)])/((pii)^(k/2))   for k even

(28)

(D. W. Cantrell, pers. comm., Mar. 29, 2006). The first few explicit cases are

product_(n=1)^(infty)(1+1/(n^2)) = (sinhpi)/pi

(29)

product_(n=1)^(infty)(1+1/(n^3)) = 1/picosh(1/2pisqrt(3))

(30)

product_(n=1)^(infty)(1+1/(n^4)) = (cosh(pisqrt(2))-cos(pisqrt(2)))/(2pi^2)

(31)

= -(sin[(-1)^(1/4)pi]sin[(-1)^(3/4)pi])/(pi^2)

(32)

product_(n=1)^(infty)(1+1/(n^5)) = |Gamma[exp(2/5pii)]Gamma[exp(6/5pii)]|^(-2)

(33)

product_(n=1)^(infty)(1+1/(n^6)) = (sinhpi[coshpi-cos(sqrt(3)pi)])/(2pi^3).

(34)

The d-analog expression

 [infty!]_d=product_(n=3)^infty(1-(2^d)/(n^d))

(35)

also has closed form expressions,

product_(n=3)^(infty)(1-4/(n^2)) = 1/6

(36)

product_(n=3)^(infty)(1-8/(n^3)) = (sinh(pisqrt(3)))/(42pisqrt(3))

(37)

product_(n=3)^(infty)(1-(16)/(n^4)) = (sinh(2pi))/(120pi)

(38)

product_(n=3)^(infty)(1-(32)/(n^5)) = |Gamma[exp(1/5pii)]Gamma[2exp(7/5pii)]|^(-2).

(39)

General expressions for infinite products of this type include

product_(n=1)^(infty)[1-(z/n)^(2N)] = (sin(piz))/(piz^(2N-1))product_(k=1)^(N-1)|Gamma(ze^(2pii(k-N)/(2N)))|^(-2)

(40)

product_(n=1)^(infty)[1+(z/n)^(2N)] = 1/(z^(2N))product_(k=1)^(N)|Gamma(ze^(pii[2(k-N)-1]/(2N)))|^(-2)

(41)

product_(n=1)^(infty)[1-(z/n)^(2N+1)] = 1/(Gamma(1-z)z^(2N))product_(k=1)^(N)|Gamma(ze^(pii[2(k-N)-1]/(2N+1)))|^(-2)

(42)

product_(n=1)^(infty)[1+(z/n)^(2N+1)] = 1/(Gamma(1+z)z^(2N))product_(k=1)^(N)|Gamma(ze^(2pii(k-N-1)/(2N+1)))|^(-2),

(43)

where Gamma(z) is the gamma function and |z| denotes the complex modulus (Kahovec). (40) and (41) can also be rewritten as

product_(n=1)^(infty)[1-(z/n)^(2N)] =

(44)

product_(n=1)^(infty)[1+(z/n)^(2N)] =

(45)

where |_x_| is the floor function, [x] is the ceiling function, and mod(a,m) is the modulus of a (mod m) (Kahovec).

Infinite products of the form

product_(k=1)^(infty)(1-1/(n^k)) = (n^(-1))_infty

(46)

=

(47)

converge for n>1, where (q)_infty is a q-Pochhammer symbol and theta_n(z,q) is a Jacobi theta function. Here, the n=2 case is exactly the constant Q encountered in the analysis of digital tree searching.

Other products include

product_(k=1)^(infty)(1+2/k)^((-1)^(k+1)k) = pi/(2e)    

(48)

= 0.57786367...    

(49)

product_(k=0)^(infty)(1+e^(-(2k+1)pi)) = 2^(1/4)e^(-pi/24)    

(50)

product_(k=3)^(infty)(1-(pi^2)/(2k^2))sec(pi/k) = 0.86885742...

(51)

(OEIS A086056 and A247559; Prudnikov et al. 1986, p. 757). Note that Prudnikov et al. (1986, p. 757) also incorrectly give the product

(52)

where (q)_infty is a q-Pochhammer symbol, as 3^(1/4)e^(-pi/(6sqrt(3))), which differs from the correct result by 1.8×10^(-5).

The following analogous classes of products can also be done analytically (J. Zúñiga, pers. comm., Nov. 9, 2004), where again theta_n(z,q) is a Jacobi theta function,

product_(k=1)^(infty)(1+1/(n^k)) =

(53)

product_(k=1)^(infty)((1-n^(-k))/(1+n^(-k))) = product_(k=1)^(infty)tanh(1/2klnn)

(54)

= theta_4(0,n^(-1))

(55)

product_(k=1)^(infty)((1-n^(-2k))/(1+n^(-2k)))^2 = product_(k=1)^(infty)tanh^2(klnn)

(56)

=

(57)

product_(k=1)^(infty)((1-n^(-2k+1))/(1+n^(-2k+1)))^2 = product_(k=1)^(infty)tanh^2[(k-1/2)lnn]

(58)

= (theta_4(0,n^(-1)))/(theta_3(0,n^(-1)))

(59)

product_(k=1)^(infty)(1-1/(n^(2k-1))) =

(60)

product_(k=1)^(infty)(1+1/(n^(2k-1))) =

(61)

product_(k=1)^(infty)[1+(-1)^(k-1)b/(k+a)] = 2^b_2F_1(a+b,b;a+1;-1)

(62)

= (sqrt(pi)Gamma(a+1))/(2^aGamma(1/2(2+b-a))Gamma(1/2(1+b+a))).

(63)

The first of these can be used to express the Fibonacci factorial constant in closed form.

A class of infinite products derived from the Barnes G-function is given by

(64)

where gamma is the Euler-Mascheroni constant. For z=1, 2, 3, and 4, the explicit products are given by

product_(n=1)^(infty)(1+1/n)^ne^(1/(2n)-1) = (e^(1+gamma/2))/(sqrt(2pi))

(65)

product_(n=1)^(infty)(1+2/n)^ne^(4/(2n)-2) = (e^(3+2gamma))/(2pi)

(66)

product_(n=1)^(infty)(1+3/n)^ne^(9/(2n)-3) = (e^(6+9gamma/2))/(sqrt(2)pi^(3/2))

(67)

product_(n=1)^(infty)(1+4/n)^ne^(16/(2n)-4) = (3e^(10+8gamma))/(pi^2).

(68)

The interesting identities

 xproduct_(n=1)^infty((1-x^(2n))^8)/((1-x^(2n-1))^8)=sum_(n=1)^infty2^(3b(n))sigma_3(Od(n))x^n

(69)

(Ewell 1995, 2000), where b(n) is the exponent of the exact power of 2 dividing nOd(n)=n/2^(b(n)) is the odd part of nsigma_k(n) is the divisor function of n, and

product_(n=1)^(infty)(1+x^(2n-1))^8 = product_(n=1)^(infty)(1-x^(2n-1))^8+16xproduct_(n=1)^(infty)(1+x^(2n))^8

(70)

= 1+8x+28x^2+64x^3+134x^4+288x^5+...

(71)

(OEIS A101127; Jacobi 1829; Ford et al. 1994; Ewell 1998, 2000), the latter of which is known as "aequatio identica satis abstrusa" in the string theory physics literature, arise is connection with the tau function.

An unexpected infinite product involving tanx is given by

 |product_(k=0)^infty[tan(2^kx)]^(1/(2^k))|=4sin^2x

(72)

(Dobinski 1876, Agnew and Walker 1947).

A curious identity first noted by Gosper is given by

product_(n=1)^(infty)1/e(1/(3n)+1)^(3n+1/2) = sqrt((Gamma(1/3))/(2pi))(3^(13/24)exp[1+(2pi^2-3psi_1(1/3))/(12pisqrt(3))])/(A^4)

(73)

= 1.012378552722912...

(74)

(OEIS A100072), where Gamma(z) is the gamma function, psi_1(z) is the trigamma function, and A is the Glaisher-Kinkelin constant.


REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, p. 75, 1972.

Agnew, R. P. and Walker, R. J. "A Trigonometric Infinite Product." Amer. Math. Monthly 54, 206-211, 1947.

Arfken, G. "Infinite Products." §5.11 in Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed. Orlando, FL: Academic Press, pp. 346-351, 1985.

Blatner, D. The Joy of Pi. New York: Walker, p. 119, 1997.

Borwein, J.; Bailey, D.; and Girgensohn, R. "Two Products." §1.2 in Experimentation in Mathematics: Computational Paths to Discovery. Wellesley, MA: A K Peters, pp. 4-7, 2004.

Borwein, J. M. and Corless, R. M. "Emerging Tools for Experimental Mathematics." Amer. Math. Monthly 106, 899-909, 1999.

Dobinski, G. "Product einer unendlichen Factorenreihe." Archiv Math. u. Phys. 59, 98-100, 1876.

Erdélyi, A.; Magnus, W.; Oberhettinger, F.; and Tricomi, F. G. Higher Transcendental Functions, Vol. 1. New York: Krieger, p. 6, 1981.

Ewell, J. A. "Arithmetical Consequences of a Sextuple Product Identity." Rocky Mtn. J. Math. 25, 1287-1293, 1995.

Ewell, J. A. "A Note on a Jacobian Identity." Proc. Amer. Math. Soc. 126, 421-423, 1998.

Ewell, J. A. "New Representations of Ramanujan's Tau Function." Proc. Amer. Math. Soc. 128, 723-726, 2000.

Finch, S. R. "Kepler-Bouwkamp Constant." §6.3 in Mathematical Constants. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 428-429, 2003.

Ford, D.; McKay, J.; and Norton, S. P. "More on Replicable Functions." Commun. Alg. 22, 5175-5193, 1994.

Hansen, E. R. A Table of Series and Products. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1975.

Jacobi, C. G. J. "E formulis (7.),(8.) sequitur aequatio identica satis abstrusa: (14.) [(1-q)(1-q^3)(1-q^5)..]^8+16q[(1+q^2)(1+q^4)(1+q^6)..]^8=[(1+q)(1+q^3)(1+q^5)..]^8." Fundamenta Nova Theoriae Functionum Ellipticarum. Königsberg, Germany: Regiomonti, Sumtibus fratrum Borntraeger, 1829. Reprinted in Gesammelte Werke, Band. 1. Providence, RI: Amer. Math. Soc., p. 147, 1969.

Jeffreys, H. and Jeffreys, B. S. "Infinite Products." §1.14 in Methods of Mathematical Physics, 3rd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 52-53, 1988.

Krantz, S. G. "The Concept of an Infinite Product." §8.1.6 in Handbook of Complex Variables. Boston, MA: Birkhäuser, pp. 104-105, 1999.

Muñoz García, E. and Pérez Marco, R. "The Product Over All Primes is 4pi^2." Preprint IHES/M/03/34. May 2003. http://inc.web.ihes.fr/prepub/PREPRINTS/M03/Resu/resu-M03-34.html.

Muñoz García, E. and Pérez Marco, R. "The Product Over All Primes is 4pi^2." Commun. Math. Phys. 277, 69-81, 2008.

Prudnikov, A. P.; Brychkov, Yu. A.; and Marichev, O. I. "Infinite Products." §6.2 in Integrals and Series, Vol. 1: Elementary Functions. New York: Gordon & Breach, pp. 753-757, 1986.

Ritt, J. F. "Representation of Analytic Functions as Infinite Products." Math. Z. 32, 1-3, 1930.

Sloane, N. J. A. Sequences A048651, A086056, A100072, A100220, A100221, A100222, A101127, and A247559 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

Whittaker, E. T. and Watson, G. N. §7.5-7.6 in A Course in Modern Analysis, 4th ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1990.

 




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.