Leibniz-Reihe

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Die Leibniz-Reihe ist eine Formel zur Annäherung an die Kreiszahl \pi, die Gottfried Wilhelm Leibniz im Jahre 1682 entwickelte. Sie lautet:

\sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{2k+1} = 1 - \frac{1}{3} + \frac{1}{5} - \frac{1}{7} + \frac{1}{9} - \dots = \frac{\pi}{4}.

Diese Formel war dem indischen Mathematiker Madhava bereits im 14. Jahrhundert und dem schottischen Mathematiker Gregory vor 1671 bekannt, Leibniz entdeckte sie für die kontinentaleuropäische Mathematik neu.

Die Konvergenz dieser unendlichen Reihe folgt unmittelbar aus dem Leibniz-Kriterium.

Konvergenzgeschwindigkeit[Bearbeiten]

Das Restglied der Summe nach n Summanden beträgt

R_n = \sum_{k=0}^{n-1} \frac{(-1)^k}{2k+1} - \frac\pi4 = -\sum_{k=n}^{\infty} \frac{(-1)^k}{2k+1}.

Mit der Fehlerabschätzung des Leibniz-Kriteriums gilt

|R_n| \leq \frac{1}{2n+1}.

Genauere Betrachtungen zeigen sogar, dass

|R_n| < \frac{1}{4n} \in \mathcal{O}\left(\frac{1}{n}\right).

Mit n Summanden kann man also s Nachkommastellen mit einem Fehler < 0,5 in der s-ten Nachkommastelle erhalten:

s(n) = \lg(2n).

Die Anzahl benötigter Summanden n für s sinnvolle Nachkommastellen im Ergebnis beträgt entsprechend

n(s) = \frac12 \cdot 10^{\textstyle s}.

Eine Liste von Partialsummen, die sich aus Leibniz' Formel ergeben[Bearbeiten]

Mit Hilfe der Leibniz-Reihe lässt sie eine Näherung der Kreiszahl berechnen, denn es ist

\pi = 4 \cdot \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{2k+1} = \lim \limits_{n\to \infty} \left(4 \cdot \sum_{k=0}^{n-1}\frac{(-1)^k}{2k+1}\right).

Die folgende Liste zeigt die Folgenglieder der Folge von Partialsummen der mit 4 multiplizierten Leibniz-Reihe.

Da die Folge nur sehr langsam konvergiert, ist sie zur effizienten Berechnung von Pi nicht geeignet.

n
(Anzahl der
berechneten
Brüche)
4 \cdot \sum_{k=0}^{n-1}\frac{(-1)^k}{2k+1}

(Ergebnis)
Verhältnis
zur
Kreiszahl
2 2,666666666666667 0,848826363156775
4 2,895238095238095 0,921582908570213
8 3,017071817071817 0,960363786700453
16 3,079153394197426 0,980124966449415
32 3,110350273698686 0,990055241612751
64 3,125968606973288 0,995026711499770
100 3,131592903558553 0,996816980705689
1.000 3,140592653839793 0,999681690193394
10.000 3,141492653590043 0.999968169011461
100.000 3,141582653589793 0,999996816901138
1.000.000 3,141591653589793 0,999999681690114
10.000.000 3,141592553589793 0,999999968169011
100.000.000 3,141592643589793 0,999999996816901
1.000.000.000 3,141592652589793 0,999999999681690

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]