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 المرجع الالكتروني للمعلوماتية
القيمة الغذائية للثوم Garlic
2024-11-20
العيوب الفسيولوجية التي تصيب الثوم
2024-11-20
التربة المناسبة لزراعة الثوم
2024-11-20
البنجر (الشوندر) Garden Beet (من الزراعة الى الحصاد)
2024-11-20
الصحافة العسكرية ووظائفها
2024-11-19
الصحافة العسكرية
2024-11-19

معنى كلمة مسس
7-7-2022
قثاء الحمار المسهل، مقتي الحمار Ecballium elaterium
21-8-2019
المسكنة الممدوحة والمذمومة
2023-05-26
Basidium
6-7-2017
حق الاخوان
2024-09-29
سكان المدينة ونسبة التحضر - مقاييس الخصوبة - الوفيات
9-1-2023

Catalan,s Constant  
  
854   04:10 مساءً   date: 24-1-2020
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: 16-2-2020 1218
Date: 1-12-2020 672
Date: 30-9-2020 743

Catalan's Constant 

Catalan's constant is a constant that commonly appears in estimates of combinatorial functions and in certain classes of sums and definite integrals. It is usually denoted K (this work), G (e.g., Borwein et al. 2004, p. 49), or C (Wolfram Language).

Catalan's constant may be defined by

 K=sum_(k=0)^infty((-1)^k)/((2k+1)^2)

(1)

(Glaisher 1877, who however did not explicitly identify the constant in this paper). It is not known if K is irrational.

Catalan's constant is implemented in the Wolfram Language as Catalan.

The constant is named in honor of E. C. Catalan (1814-1894), who first gave an equivalent series and expressions in terms of integrals. Numerically,

 K=0.915965594177...

(2)

(OEIS A006752).

K can be given analytically by the following expressions

K = beta(2)

(3)

= -ichi_2(i)

(4)

=

(5)

where beta(z) is the Dirichlet beta function, chi_nu(z) is Legendre's chi-function, A is the Glaisher-Kinkelin constant, and  is the partial derivative of the Hurwitz zeta function with respect to the first argument.

Glaisher (1913) gave

 K=1-sum_(n=1)^infty(nzeta(2n+1))/(16^n)

(6)

(Vardi 1991, p. 159). It is also given by the sums

K = sum_(k=0)^(infty)1/((4k+1)^2)-sum_(k=0)^(infty)1/((4k+3)^2)

(7)

= -1/8pi^2+2sum_(k=0)^(infty)1/((4k+1)^2)

(8)

= 1/8pi^2-2sum_(k=0)^(infty)1/((4k+3)^2)

(9)

Equations (◇) and (◇) follow from

 zeta(2)=sum_(n=1)^infty1/(n^2)=1/6pi^2,

(10)

together with

sum_(n=1,3,...)1/(n^2) = sum_(n=1)^(infty)1/(n^2)-sum_(n=2,4,...)^(infty)1/(n^2)

(11)

= zeta(2)-1/4sum_(n=1)^(infty)1/(n^2)

(12)

= 3/4zeta(2)

(13)

= 1/8pi^2.

(14)

But

sum_(n=1,3,...)1/(n^2) = sum_(k=0)^(infty)1/((4k+1)^2)+sum_(k=0)^(infty)1/((4k+3)^2)

(15)

= 1/8pi^2,

(16)

so combining (16) with (◇) gives (◇) and (◇).

Applying convergence improvement to (◇) gives

 K=1/(16)sum_(m=1)^infty(m+1)(3^m-1)/(4^m)zeta(m+2),

(17)

where zeta(z) is the Riemann zeta function and the identity

 1/((1-3z)^2)-1/((1-z)^2)=sum_(m=1)^infty(m+1)(3^m-1)/(4^m)z^m

(18)

has been used (Flajolet and Vardi 1996).

A beautiful double series due to O. Oloa (pers. comm., Dec. 30, 2005) is given by

 sum_(i=1)^inftysum_(j=1)^infty((i-1)!(j-1)!)/((i+j)!)(4^(i+j))/((2i+2j+1)(2(i+j); i+j))=8(1-K).

(19)

There are a large number of BBP-type formulas with coefficient (-1)^k, the first few being

K = sum_(k=0)^(infty)((-1)^k)/((2k+1)^2)

(20)

= 4sum_(k=0)^(infty)((-1)^k)/((4k+2)^2)

(21)

= sum_(k=0)^(infty)(-1)^k[1/((6k+1)^2)-1/((6k+3)^2)+1/((6k+5)^2)]

(22)

= 1/3sum_(k=0)^(infty)(-1)^k[2/((6k+1)^2)+7/((6k+3)^2)+2/((6k+5)^2)]

(23)

= sum_(k=0)^(infty)(-1)^k[1/((10k+1)^2)-1/((10k+3)^2)+1/((10k+5)^2)-1/((10k+7)^2)+1/((10k+9)^2)]

(24)

= 1/3sum_(k=0)^(infty)(-1)^k[4/((10k+1)^2)-4/((10k+3)^2)-(21)/((10k+5)^2)-4/((10k+7)^2)+4/((10k+9)^2)]

(25)

= sum_(k=0)^(infty)(-1)^k[1/((14k+1)^2)-1/((14k+3)^2)+1/((14k+5)^2)-1/((14k+7)^2)+1/((14k+9)^2)-1/((14k+11)^2)+1/((14k+13)^2)]

(26)

= 1/6sum_(k=0)^(infty)(-1)^k[5/((14k+1)^2)-5/((14k+3)^2)+5/((14k+5)^2)+(44)/((14k+7)^2)+5/((14k+9)^2)-5/((14k+11)^2)+5/((14k+13)^2)]

(27)

(E. W. Weisstein, Feb. 26, 2006).

BBP-type formula identities for K with higher powers include

K = 3/(64)sum_(k=0)^(infty)((-1)^k)/(64^k)[(32)/((12k+1)^2)-(32)/((12k+2)^2)-(32)/((12k+3)^2)-8/((12k+5)^2)-(16)/((12k+6)^2)-4/((12k+7)^2)-4/((12k+9)^2)-2/((12k+10)^2)+1/((12k+11)^2)]

(28)

(V. Adamchik, pers. comm., Sep. 28, 2007),

K = 5/(1024)sum_(k=0)^(infty)((-1)^k)/(1024^k)[(512)/((20k+1)^2)-(1536)/((20k+2)^2)+(256)/((20k+3)^2)+(512)/((20k+5)^2)+(384)/((20k+6)^2)-(64)/((20k+7)^2)+(32)/((20k+9)^2)+(64)/((20k+10)^2)+(64)/((20k+11)^2)+(16)/((20k+12)^2)-8/((20k+13)^2)+(24)/((20k+14)^2)+(16)/((20k+15)^2)+2/((20k+16)^2)+2/((20k+17)^2)-6/((20k+18)^2)+1/((20k+19)^2)]

(29)

(E. W. Weisstein, Sep. 30, 2007),

K = 1/(1024)sum_(k=0)^(infty)1/(4096^k)[(3072)/((24k+1)^2)-(3072)/((24k+2)^2)-(23040)/((24k+3)^2)+(12288)/((24k+4)^2)-(768)/((24k+5)^2)+(9216)/((24k+6)^2)+(10368)/((24k+8)^2)+(2496)/((24k+9)^2)-(192)/((24k+10)^2)+(768)/((24k+12)^2)-(48)/((24k+13)^2)+(360)/((24k+15)^2)+(648)/((24k+16)^2)+(12)/((24k+17)^2)+(168)/((24k+18)^2)+(48)/((24k+20)^2)-(39)/((24k+21)^2)]

(30)

(Borwein and Bailey 2003, p. 128), and

K = 1/(1024)sum_(k=0)^(infty)1/(4096^k)[(1024)/((24k+1)^2)+(1024)/((24k+2)^2)-(512)/((24k+3)^2)-(3072)/((24k+4)^2)-(256)/((24k+5)^2)-(2048)/((24k+6)^2)-(256)/((24k+7)^2)-(1152)/((24k+8)^2)-(320)/((24k+9)^2)+(64)/((24k+10)^2)+(64)/((24k+11)^2)-(16)/((24k+13)^2)+(64)/((24k+14)^2)+8/((24k+15)^2)-(72)/((24k+16)^2)+4/((24k+17)^2)-8/((24k+18)^2)+4/((24k+19)^2)-(12)/((24k+20)^2)+5/((24k+21)^2)+4/((24k+22)^2)-1/((24k+23)^2)]

(31)

= 1/(3072)sum_(k=0)^(infty)1/(4096^k)[(5120)/((24k+1)^2)-(8192)/((24k+2)^2)-(2560)/((24k+3)^2)+(2560)/((24k+4)^2)-(1280)/((24k+5)^2)-(2048)/((24k+6)^2)-(512)/((24k+7)^2)-(832)/((24k+9)^2)-(512)/((24k+10)^2)+(128)/((24k+11)^2)-(128)/((24k+12)^2)-(80)/((24k+13)^2)+(16)/((24k+14)^2)+(40)/((24k+15)^2)+(20)/((24k+17)^2)+(40)/((24k+18)^2)+8/((24k+19)^2)+(10)/((24k+20)^2)+(13)/((24k+21)^2)+1/((24k+22)^2)-2/((24k+23)^2)]

(32)

(E. W. Weisstein, Feb. 25, 2006).

A rapidly converging Zeilberger-type sum due to A. Lupas is given by

 K=1/(64)sum_(n=1)^infty((-1)^(n-1)2^(8n)(40n^2-24n+3)[(2n)!]^3(n!)^2)/(n^3(2n-1)[(4n)!]^2)

(33)

(Lupas 2000), and is used to calculate K in the Wolfram Language.

Catalan's constant is also given by the integrals

K = int_0^1(tan^(-1)xdx)/x

(34)

= int_0^13/xtan^(-1)[(x(1-x))/(2-x)]dx

(35)

= -int_0^1(lnxdx)/(1+x^2)

(36)

= 1/2int_0^1K(k)dk

(37)

= -int_0^(pi/2)ln[2sin(1/2t)]dt

(38)

= int_0^(pi/4)ln(cotx)dx

(39)

= 1/2int_0^(pi/2)xcscxdx

(40)

= pi/8int_(-infty)^infty(sechttanht)/tdt

(41)

= int_0^(pi/2)sinh^(-1)(sinx)dx

(42)

= 1/2piln(1+sqrt(2))+int_0^(sinh^(-1)1)sin^(-1)(sinht)dt,

(43)

where (37) is from Mc Laughlin (2007; which corresponds to the 1/(-64)^k BBP-type formula), (38) is from Borwein et al. (2004, p. 106), (40) is from Glaisher (1877), (41) is from J. Borwein (pers. comm., Jul. 16, 2007), (42) is from Adamchik, and (43) is from W. Gosper (pers. comm., Jun. 11, 2008). Here, K(k) (not to be confused with Catalan's constant itself) is a complete elliptic integral of the first kind. Zudilin (2003) gives the unit square integral

 K=1/8int_0^1int_0^1(dxdy)/((1-xy)sqrt(x(1-y))),

(44)

which is the analog of a double integral for zeta(2) due to Beukers (1979).

In terms of the trigamma function psi_1(x),

K = 1/(16)psi_1(1/4)-1/(16)psi_1(3/4)

(45)

= 1/8pi^2-1/8psi_1(3/4)

(46)

= 1/(32)psi_1(1/8)+1/(32)psi_1(5/8)-1/8pi^2

(47)

= 1/8pi^2-1/(32)psi_1(3/8)-1/(32)psi_1(7/8)

(48)

= 1/(64)[psi_1(1/8)-psi_1(3/8)+psi_1(5/8)-psi_1(7/8)]

(49)

= 1/(80)psi_1(5/(12))+1/(80)psi_1(1/(12))-1/(10)pi^2

(50)

= 1/(10)pi^2-1/(80)psi_1(7/(12))-1/(80)psi_1((11)/(12))

(51)

= 1/(160)[psi_1(1/(12))+psi_1(5/(12))-psi_1(7/(12))-psi_1((11)/(12))].

(52)

Catalan's constant also arises in products, such as

 e^(-1/2+2K/pi)=lim_(n->infty)1/((4n+1)^(2n))product_(k=1)^n((4k-1)^(4k-1))/((4k-3)^(4k-3))

(53)

(Glaisher 1877).

Zudilin (2003) gives the continued fraction

 K=((13)/2)/(q(0)+)(1^4·2^4·p(0)p(2))/(q(1)+)... 
 ...((2n-1)^4(2n)^4p(n-1)p(n+1))/(q(n)+)...,

(54)

where

p(n) = 20n^2-8n+1

(55)

q(n) = 3520n^6+5632n^5+2064n^4-384n^3-156n^2+16n+7,

(56)

which is an analog of the continued fraction of Apéry's constant found by Apéry (1979).


REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, pp. 807-808, 1972.

Adamchik, V. "Integral and Series Representations for Catalan's Constant." http://www-2.cs.cmu.edu/~adamchik/articles/catalan.htm.

Adamchik, V. "Thirty-Three Representations of Catalan's Constant." http://library.wolfram.com/infocenter/Demos/109/.

Apéry, R. "Irrationalité de zeta(2) et zeta(3)." Astérisque 61, 11-13, 1979.

Arfken, G. Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed. Orlando, FL: Academic Press, pp. 551-552, 1985.

Beukers, F. "A Note on the Irrationality of zeta(2) and zeta(3)." Bull. London Math. Soc. 11, 268-272, 1979.

Borwein, J. and Bailey, D. Mathematics by Experiment: Plausible Reasoning in the 21st Century. Wellesley, MA: A K Peters, 2003.

Borwein, J.; Bailey, D.; and Girgensohn, R. Experimentation in Mathematics: Computational Paths to Discovery. Wellesley, MA: A K Peters, 2004.

Catalan, E. "Sur la transformation des series, et sur quelques integrales definies." Mémoires in 4 de l'Academie royale de Belgique, 1865.

Catalan, E. "Recherches sur la constant G, et sur les integrales euleriennes." Mémoires de l'Academie imperiale des sciences de Saint-Pétersbourg, Ser. 7, 31, 1883.

Fee, G. J. "Computation of Catalan's Constant using Ramanujan's Formula." ISAAC '90. Proc. Internat. Symp. Symbolic Algebraic Comp., Aug. 1990. Reading, MA: Addison-Wesley, 1990.

Finch, S. R. "Catalan's Constant." §1.7 in Mathematical Constants. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 53-59, 2003.

Flajolet, P. and Vardi, I. "Zeta Function Expansions of Classical Constants." Unpublished manuscript. 1996. http://algo.inria.fr/flajolet/Publications/landau.ps.

Glaisher, J. W. L. "On a Numerical Continued Product." Messenger Math. 6, 71-76, 1877.

Gosper, R. W. "A Calculus of Series Rearrangements." In Algorithms and Complexity: New Directions and Recent Results. Proc. 1976 Carnegie-Mellon Conference (Ed. J. F. Traub). New York: Academic Press, pp. 121-151, 1976.

Gosper, R. W. "Thought for Today." math-fun@cs.arizona.edu posting, Aug. 8, 1996.

Lupas, A. "Formulae for Some Classical Constants." In Proceedings of ROGER-2000. 2000. http://www.lacim.uqam.ca/~plouffe/articles/alupas1.pdf.

Mc Laughlin, J. "An Integral for Catalan's Constant." 27 Sep 2007. http://listserv.nodak.edu/cgi-bin/wa.exe?A2=ind0709&L=nmbrthry&T=0&P=3444.

Nielsen, N. Der Eulersche Dilogarithms. Leipzig, Germany: Halle, pp. 105 and 151, 1909.

Plouffe, S. "Table of Current Records for the Computation of Constants." http://pi.lacim.uqam.ca/eng/records_en.html.

Rivoal, T. and Zudilin, W. "Diophantine Properties of Numbers Related to Catalan's Constant." Math. Ann. 326, 705-721, 2003. http://www.mi.uni-koeln.de/~wzudilin/beta.pdf.

Sloane, N. J. A. Sequence A006752/M4593 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

Srivastava, H. M. and Miller, E. A. "A Simple Reducible Case of Double Hypergeometric Series involving Catalan's Constant and Riemann's Zeta Function." Int. J. Math. Educ. Sci. Technol. 21, 375-377, 1990.

Vardi, I. Computational Recreations in Mathematica. Reading, MA: Addison-Wesley, p. 159, 1991.

Yang, S. "Some Properties of Catalan's Constant G." Int. J. Math. Educ. Sci. Technol. 23, 549-556, 1992.

Zudilin, W. "An Apéry-Like Difference Equation for Catalan's Constant." Electronic J. Combinatorics 10, No. 1, R14, 1-10, 2003. http://www.combinatorics.org/Volume_10/Abstracts/v10i1r14.html.




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.