FÓRMULAS PARA CALCULAR EL NÚMERO PI
Autor: Cándido Otero

El autor de este estudio nos presenta una serie de fórmulas que permiten el cálculo del número P

Si el lector desea realizar algún comentario dirigirse a Cándido Otero:

oteropera@hotmail.com

 

· Este primer algoritmo está basado en la fórmula para pi de E. H. Clarke.


   TEOREMA

 

infinity        1
                                      SUM [ ------------------ ] =  PI/24 + LN(2)/4
          n=1      (4*n-3)*(4*n)  
 
 ------------------------------------------------------------------------
                   DEMOSTRACIÓN

 
primero tomaremos la fórmula que es igual al Logaritmo(2)
  infinity    2*(4*n-1)*(4*n-2) + 2       
               SUM [ -------------------------------- ] = LN(2)
   n=1    (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)*(4*n) 
 
esta fórmula se puede demostrar de la siguiente manera
cada término de la fórmula se puede dividir en dos partes
 
--------------
primera parte
--------------
 
+ (1/(4*n-3) - 1/(4*n-2)) + (1/(4*n-2) - 1/(4*n-1))
 

esta a su vez en dos sumandos el primer sumando es igual a :
   1/((4*n-3)*(4*n-2))
 
el segundo sumando es igual a:
   1/((4*n-2)*(4*n-1))
 
 si unimos los dos sumandos
 1/((4*n-3)*(4*n-2)) + 1/((4*n-2)*(4*n-1)) =
 
 ((4*n-1) + (4*n-3))/((4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)) =
 
  (8*n-4)/((4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1))
 
-------------
segunda parte
-------------
 
+ (1/(4*n-1) - 1/(4*n-2)) + (1/(4*n-1) - 1/(4*n))
 
el primer sumando es igual a
   - 1/((4*n-1)*(4*n-2))
 
 el segundo sumando es igual a
  + 1/((4*n-1)*(4*n))
 
si unimos los dos sumandos
 - 1/((4*n-1)*(4*n-2)) + 1/((4*n-1)*(4*n)) =
 
(- (4*n) + (4*n-2))/((4*n-1)*(4*n-2)*(4*n)) =
 
 - 2/((4*n-1)*(4*n-2)*(4*n))
 
 
y finalmente si unimos las dos partes en las que dividimos cada término:
 (8*n-4)/((4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)) - 2/((4*n-2)*(4*n-1)*(4*n)) =
 
((4*n)*(8*n-4)- 2*(4*n-3))/((4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)*(4*n))
 
el numerador se puede escribir como:
  (4*n)*(8*n-4) - (8*n-6) =
 
 (4*n)*(8*n-4) - ((8*n-4) - 2) =
 
 (4*n-1)*(8*n-4) + 2 =
 
 2*(4*n-1)*(4*n-2) + 2
 
se obtiene la fórmula final:
  infinity    2*(4*n-1)*(4*n-2) + 2       
   SUM [ -------------------------------- ]
   n=1    (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)*(4*n) 
 
por lo tanto esta fórmula es igual a la sucesión de números:
 + (1/1 - 1/2) + (1/3 - 1/4)
 
 + (1/5 - 1/6) + (1/7 - 1/8)
 
 + (1/9 - 1/10) + (1/11 - 1/12)
 
 que es igual a LN(2)
 
si lo dividimos en dos sumandos:
 infinity    2*(4*n-1)*(4*n-2)        
   SUM [ --------------------------------
   n=1    (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)*(4*n) 
 
                        + 2       
       -------------------------------- ] = LN(2)
         (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)*(4*n)  

la suma de los términos del segundo sumando:
 infinity              2       
   SUM [ -------------------------------- ]
   n=1    (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)*(4*n)
 
es igual a la fórmula de E. H. Clarke:
 infinity               1       
   SUM [ -------------------------------- ] =
   n=1    (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)*(4*n)
 
  - PI/24 + LN(2)/4


 multiplicada por dos:
   - PI/12 + LN(2)/2
 
por lo tanto, la suma de los términos del primer sumando: 
 infinity      2*(4*n-1)*(4*n-2)        
   SUM [ -------------------------------- ]
   n=1    (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)*(4*n) 
 
es igual al resultado total menos la fórmula de E. H. Clarke multiplicada por 2:
  LN(2) - ( - PI/12 + LN(2)/2 ) = PI/12 + LN(2)/2
 
 infinity       2*(4*n-1)*(4*n-2)       
   SUM [ -------------------------------- ] = PI/12 + LN(2)/2
   n=1    (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)*(4*n)  
 
que se puede escribir como:
 infinity           2       
   SUM [ ---------------- ] = PI/12 + LN(2)/2
   n=1    (4*n-3)*(4*n)
 
y, finalmente, si lo dividimos por dos se obtiene la fórmula final:
 infinity           1       
   SUM [ ---------------- ] = PI/24 + LN(2)/4
   n=1    (4*n-3)*(4*n)
 
 


               2ª FÓRMULA PARA EL NUMERO PI


  TEOREMA 
 
  infinito               8*n
   SUMA [ ---------------------------- ] =  PI/4 + LN(2)
   n=1     (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)
 
 
 
 infinito           8*n - 4
  SUMA [ --------------------------- ] =  PI/4 
   n=1    (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)
 
------------------------------------------------------------------------
                       DEMOSTRACIÓN 
 
primero demostraré la segunda fórmula y después la primera
cada término se puede dividir en las siguientes fracciones
 
+ (1/(4*n-3) - 1/(4*n-2)) + (1/(4*n-2) - 1/(4*n-1))
 
el primer sumando es igual a
 
((4*n-2) - (4*n-3))/((4*n-2)*(4*n-3))
 
 que es igual a
 
1/((4*n-3)*(4*n-2))
 
 el segundo sumando es igual a
 
((4*n-1) - (4*n-2)/((4*n-2)*(4*n-1))
 
que es igual a
 
 1/((4*n-2)*(4*n-1))
 
 si unimos los dos sumandos
 
 1/((4*n-3)*(4*n-2)) + 1/((4*n-2)*(4*n-1)) =
 
 ((4*n-1) + (4*n-3))/((4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)) =
 
  (8*n-4)/((4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1))
 
 por lo tanto, la fórmula:
 
 infinito           8*n - 4
  SUMA [ --------------------------- ]
   n=1    (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)
 
es igual a la sucesión de números:
 
 +(1/1 - 1/2) +(1/2 - 1/3)
 
 +(1/5 - 1/6) +(1/6 - 1/7)
 
 +(1/9 - 1/10) +(1/10 - 1/11)
 
 +(1/13 - 1/14) +(1/14 - 1/15)
 
 las fracciones con denominador par se anulan entre si y lo que queda es igual a:
 
 + 1/1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + 1/9 - 1/11 + 1/13 - 1/15 +...
 
 que es igual a PI/4, por lo tanto, la fórmula:
 
 infinito           8*n - 4
  SUMA [ --------------------------- ]
   n=1    (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)
 
 es igual a PI/4

 


        DEMOSTRACIÓN  DE LA PRIMERA FÓRMULA
  
 infinito              16*n - 6
  SUMA [ -------------------------------- ] =
   n=1     (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)*(4*n)
 
      PI/4 - LN(2)/2
 
hay una conocida fórmula para el numero p de E. H. Clarke
 
infinito                     1
 SUMA [ -------------------------------- ] =
 n=1     (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)*(4*n)
 
 LN(2)/4 - PI/24
 
la fórmula que demostrada anteriormente se puede escribir como:
 
    infinito                 16*n
    SUMA [ ---------------------------------- -
     n=1      (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)*(4*n) 
 
                          6
          -------------------------------- ] =
           (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)*(4*n)
 
 PI/4 - LN(2)/2
 
la suma de los términos del segundo sumando es igual a:
infinito                    6
 SUMA [ -------------------------------- ]
  n=1    (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)*(4*n)
 
que es igual a la fórmula de E. H. Clarke multiplicada por 6
o sea, (3 * LN(2))/2 - PI/4
 
por lo tanto la suma de los términos del primer sumando, o sea:
infinito                16*n
 SUMA [ -------------------------------- ]
  n=1    (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)*(4*n)
 
que se puede escribir como:
 infinito                4
  SUMA [ -------------------------- ]
   n=1    (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)
 
es igual a la suma total mas la fórmula de E. H. Clarke multiplicada por 6:
PI/4 - LN(2)/2 + (3 * LN(2)/2 - PI/4) = LN(2)
 
por lo tanto la sucesión de números:
 4/(1*2*3) + 4/(5*6*7) + 4/(9*10*11) + 4/(13*14*15) + 4/(17*18*19) +...
 es igual LN(2)
 
la fórmula que demostré al principio se puede escribir como:
  infinito               8*n
   SUMA [ --------------------------- - 
   n=1    (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)
 
      4
                      --------------------------- ] =  PI/4 
         (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)
 
la suma de los términos del segundo sumando: 
 infinito               4
  SUMA [ --------------------------- ]  
  n=1    (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)
 
es igual a la sucesión de números que hemos visto para el logaritmo(2)
por lo tanto la suma de los términos del primer sumando es igual al resultado total mas LN(2)
 o sea, PI/4 + LN(2)
   infinito               8*n
   SUMA [ ---------------------------- ] =  PI/4 + LN(2)
   n=1     (4*n-3)*(4*n-2)*(4*n-1)
 

 


               3ª FÓRMULA PARA EL NUMERO PI

   TEOREMA
 
  infinito         (-1)^(n+1)
        SUMA [ -------------------- ] =
    n=1        (n + 1)*(2*n + 1)
 
 - PI/2 + LN(2) + 1
  
----------------------------------------------------------------------
                      DEMOSTRACIÓN

Si tomamos la conocida fórmula para el numero p
   infinito         (-1)^(n+1)
    SUMA [ ----------------------- ] =  PI - 3
    n=1       n * (n + 1)*(2*n + 1)
 
conservando los denominadores es posible construir una nueva fórmula:
  1/n - 1/(2*n+1) = (n+1)/(n * (2*n+1))
 
  1/(n+1) - 1/(2*n+1) = n/((n+1) * (2*n+1))
 
  (n+1)/(n * (2*n+1)) + n/((n+1) * (2*n+1)) =
 
  ((n+1)^2 + n^2)/(n * (n+1) * (2*n+1)) =
 
  (2*n^2 + 2*n + 1)/(n * (n+1) * (2*n+1))
 
  infinito                          2*n^2 + 2*n + 1
    SUMA [ (-1)^(n+1) * ----------------------- ]
        n=1                           n * (n + 1)*(2*n + 1)  
 
esta fórmula es igual a la sucesión de números:
  +(1/1 - 1/3) +(1/2 - 1/3)
 
  -(1/2 - 1/5) -(1/3 - 1/5)
 
  +(1/3 - 1/7) +(1/4 - 1/7)
 
  -(1/4) -1/9) -(1/5) -1/9)
 
las fracciones que ocupan las posiciones 2*n y 4*n es igual a:
 - 2/3 + 2/5 - 2/7 + 2/9 - 2/11 + 2/13 - 2/15 + 2/17 -...
 
que es igual a PI/2 -2
 
las restantes fracciones se anulan entre si excepto la primera fracción 1/1,
por lo tanto, la fórmula:
  infinito                          2*n^2 + 2*n + 1
    SUMA [ (-1)^(n+1) * ----------------------- ] 
    n=1                          n * (n + 1)*(2*n + 1)
 
es igual a PI/2 - 1
 
 si dividimos esta fórmula en dos sumandos: 

infinito                              2*n^2 + 2*n
    SUMA [ (-1)^(n+1) * ( -----------------------  + 
    n=1                             n * (n + 1)*(2*n + 1)
 
                                   1
                      ----------------------- )  ] 
                       n * (n + 1)*(2*n + 1)
 
la suma de los términos del segundo sumando es igual a la
conocida fórmula para el numero p
   infinito          (-1)^(n+1)
    SUMA [ ----------------------- ] =  PI - 3
    n=1       n * (n + 1)*(2*n + 1)
 
por lo tanto, la suma de los términos del primer sumando:
  infinito                              2*n^2 + 2*n
    SUMA [ (-1)^(n+1) * ( ------------------------ ]
    n=1                             n * (n + 1)*(2*n + 1)
 
es igual al resultado total menos (PI - 3)
 
  (PI/2 - 1) - (PI - 3) = - PI/2 + 2
 
esta fórmula se puede dividir en dos sumandos:
    infinito                                 2*n^2 
    SUMA [ (-1)^(n+1) * ( ------------------------ +
    n=1                             n * (n + 1)*(2*n + 1)
 
                                    2*n
                         ------------------------ ) ]
                           n * (n + 1)*(2*n + 1)
 
el primer sumando se puede escribir como:
  infinito                                    2*n 
    SUMA [ (-1)^(n+1) *  ------------------------ ]
    n=1                             (n + 1) * (2*n + 1)
 
y si lo dividimos por dos:
  infinito                                     n 
    SUMA [ (-1)^(n+1) *  ------------------------ ]
    n=1                             (n + 1) * (2*n + 1)
 
si lo desarrollamos en fracciones se obtiene:
 1/(n+1) - 1/(2*n+1) = n/((n+1) * (2*n+1))
 
por lo tanto este sumando es igual a la sucesión de números:
  +(1/2 - 1/3)
 
  -(1/3 - 1/5)
 
  +(1/4 - 1/7)
 
  -(1/5 - 1/9)
 
  +(1/6 - 1/11)
 
las fracciones que ocupan las posiciones pares es igual a:
  - 1/3 + 1/5 - 1/7 + 1/9 - 1/11 + 1/15 - 1/17 + 1/19 -...
 
que es igual a PI/4 - 1
 
las fracciones que ocupan las posiciones impares es igual a:
  + 1/2 - 1/3 + 1/4 - 1/5 + 1/6 - 1/7 + 1/8 -...
 
que es igual a - LN(2) + 1
 
por lo tanto, el primer sumando es igual a:
  PI/4 - LN(2)
 
como lo hemos dividido por dos es igual a:
     PI/2 - 2*LN(2)
 
por lo tanto, la suma de los términos del segundo sumando:
  infinito                                    2*n 
    SUMA [ (-1)^(n+1) *  ------------------------ ]
    n=1                            n * (n + 1)*(2*n + 1)
 
es igual al resultado total menos (PI/2 - 2*LN(2))
  (- PI/2 + 2) - (PI/2 - 2*LN(2)) = - PI + 2*LN(2) + 2
 
que se puede escribir como:
  infinito                                      2 
    SUMA [ (-1)^(n+1) *  ------------------------ ]
    n=1                             (n + 1)*(2*n + 1)
 
y finalmente si lo dividimos por dos se obtiene el resultado:
  infinito        (-1)^(n+1)
    SUMA [ -------------------- ] =
    n=1       (n + 1)*(2*n + 1)
 
 - PI/2 + LN(2) + 1
  


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