数学において、ウォリス積分とは、ジョン・ウォリスによって導入された積分である。

定義と証明

定義

ウォリス積分 I m {\displaystyle I_{m}} m は 0 以上の整数)は

I m := 0 π 2 sin m θ d θ = 0 π 2 cos m θ d θ {\displaystyle I_{m}:=\int _{0}^{\tfrac {\pi }{2}}\sin ^{m}\theta \,d\theta =\int _{0}^{\tfrac {\pi }{2}}\cos ^{m}\theta \,d\theta }

で定義される。部分積分によって

I m 1 = m ( I m 1 I m 1 ) {\displaystyle I_{m 1}=m(I_{m-1}-I_{m 1})}

すなわち漸化式

I m 1 I m 1 = m m 1 {\displaystyle {\frac {I_{m 1}}{I_{m-1}}}={\frac {m}{m 1}}}

が得られる。これより m の偶奇に応じて I m {\displaystyle I_{m}} の値が求まる。

  • I 2 n 1 = 2 n 2 n 1 2 n 2 2 n 1 2 3 1 = ( 2 n ) ! ! ( 2 n 1 ) ! ! = 1 2 n 1 4 n 2 n C n {\displaystyle I_{2n 1}={\frac {2n}{2n 1}}\cdot {\frac {2n-2}{2n-1}}\cdots {\frac {2}{3}}\cdot 1={\frac {(2n)!!}{(2n 1)!!}}={\frac {1}{2n 1}}\cdot {\frac {4^{n}}{{}_{2n}{\rm {C}}_{n}}}}
  • I 2 n = 2 n 1 2 n 2 n 3 2 n 2 1 2 π 2 = ( 2 n 1 ) ! ! ( 2 n ) ! ! π 2 = 2 n C n 4 n π 2 {\displaystyle I_{2n}={\frac {2n-1}{2n}}\cdot {\frac {2n-3}{2n-2}}\cdots {\frac {1}{2}}\cdot {\frac {\pi }{2}}={\frac {(2n-1)!!}{(2n)!!}}\cdot {\frac {\pi }{2}}={\frac {{}_{2n}{\rm {C}}_{n}}{4^{n}}}\cdot {\frac {\pi }{2}}}

ただし n ! ! {\displaystyle n!!} は二重階乗である。

ウォリス積分におけるウォリスの公式

  • lim m m 0 π 2 sin m θ d θ = lim m m 0 π 2 cos m θ d θ = π 2 {\displaystyle \lim _{m\to \infty }{\sqrt {m}}\int _{0}^{\tfrac {\pi }{2}}\sin ^{m}\theta \,d\theta =\lim _{m\to \infty }{\sqrt {m}}\int _{0}^{\tfrac {\pi }{2}}\cos ^{m}\theta \,d\theta ={\sqrt {\frac {\pi }{2}}}}

m = 2n を代入すると先述の I 2 n {\displaystyle I_{2n}} の求値より

  • lim n n ( 2 n 1 ) ! ! ( 2 n ) ! ! = 1 π {\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\sqrt {n}}\cdot {\frac {(2n-1)!!}{(2n)!!}}={\frac {1}{\sqrt {\pi }}}}
  • lim n n 4 n ( 2 n n ) = 1 π {\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {\sqrt {n}}{4^{n}}}{2n \choose n}={\frac {1}{\sqrt {\pi }}}}

スターリングの公式との関係

スターリングの公式:

lim n n ! n ( e n ) n = 2 π {\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {n!}{\sqrt {n}}}\left({\frac {e}{n}}\right)^{n}={\sqrt {2\pi }}}

はウォリスの公式の拡張である。実際、スターリングの公式を仮定し a n := n ! n ( e n ) n {\displaystyle a_{n}:={\frac {n!}{\sqrt {n}}}\left({\frac {e}{n}}\right)^{n}} とおくと、

lim n a 2 n a n 2 = 1 2 lim n n 4 n ( 2 n n ) = 2 π ( 2 π ) 2 = 1 2 π {\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {a_{2n}}{{a_{n}}^{2}}}={\frac {1}{\sqrt {2}}}\lim _{n\to \infty }{\frac {\sqrt {n}}{4^{n}}}{2n \choose n}={\frac {\sqrt {2\pi }}{({\sqrt {2\pi }})^{2}}}={\frac {1}{\sqrt {2\pi }}}}

より

lim n n 4 n ( 2 n n ) = 1 π {\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {\sqrt {n}}{4^{n}}}{2n \choose n}={\frac {1}{\sqrt {\pi }}}}

が得られる。

応用

ウォリスの公式を用いてガウス積分を求めることができる。

またカタラン数 C n = 1 n 1 ( 2 n n ) {\displaystyle C_{n}={\frac {1}{n 1}}{2n \choose n}} にも二項係数が現れるため、ウォリスの公式より評価できる:

  • C n 4 n n 3 / 2 π {\displaystyle C_{n}\sim {\frac {4^{n}}{n^{3/2}{\sqrt {\pi }}}}}

関連項目

  • ジョン・ウォリス
  • スターリングの近似
  • ガウス積分
  • 部分積分
  • 漸化式

ウォリス積 & sin の因数分解の幾何学的証明 YouTube

ガウス積分をウォリスの公式等から導く YouTube

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大学入試問題214 徳島大学(2014) 定積分 ウォリス積分 YouTube

746 1998慶応大 理系 数Ⅲ積分 ウォリス積分と極限値【数検1級/準1級/中学数学/高校数学/数学教育】JJMO JMO IMO