■Wallisの公式 01.gif にまつわる話

  1. はじめに

     私の高校時代の趣味は、数学の問題を作成して、先生方に解いてもらうことでした。作成した問題は「趣味の数学問題集A/B/C」として、現在、「数学のいずみ」のホームページで公開されています。
     そのホームページを見てくれた高校3年生のYさんから、平成14年9月27日に質問がありました。それは、C問題31に関連して、次の無限乗積を証明して欲しいというものでした。

    02.gif

     これについて、2、3日考えて、私なりの解答をYさんに示しました。
     Yさんは、今年3月から趣味の数学問題集のA問題B問題と順に解いていき、C問題31(2)④で躓いたそうでです。それは、公開していた私の問題にミスがあったためで、それに気がつくほどの相当の力の持ち主です。
     電子メールで何度かやり取りをして分かったことですが、大学(数学科)に進学したらYさんも自作の問題(100題以上)をインターネットに公開したいと書いてありました。その日が待ち遠しいです。
     さて、Yさんに示した解答とその証明に用いたWallisの公式についてまとめることにしました。
     まず、Wallisの公式は、趣味の数学問題集C問題31に出てくる

    03.gif

    を利用すれば証明できます。

  2. 証明

    03.gifにおいて、04.gifで、05.gif・・・① である。
    ①の両辺に06.gifをかけると、07.gif・・・②
    次に、08.gifの両辺に09.gifをかけると、
    10.gifであるから、
    ②より、11.gif
    12.gifのとき、13.gif であるから、
    14.gif

    一方、①より
    15.gif16.gif

    17.gif18.gif

    である。

    (ア)19.gifのとき、
    20.gif

    21.gifのとき、22.gifであるから、23.gifより
    24.gif
    (イ)25.gifのときも、同様に示される。  【終証】

  3. Wallisの公式から導かれる無限乗積の例

    (1)26.gif
    (2)02.gif

  4. (1)の証明

    証明すべき等式の左辺

    28.gif

    29.gif

    30.gif

    31.gif

    32.gif

    33.gif

    34.gif

    35.gif  【終証】

  5. (2)の証明
    Wallisの公式において、37.gif38.gifに置き換えると、39.gifである。
    さて、証明すべき等式の左辺

    40.gif

    41.gif

    42.gif

    43.gif

    44.gif

    45.gif

    46.gif

    47.gif

    48.gif  【終証】

  6. おわりに
     趣味の数学問題集はマイナーながら結構見ている人がいるようです。
     平成13年4月には、「初等数学の会」の世話人の方から、問題借用の件で問い合わせがありました。勿論許諾しました。A問題31は実際に雑誌「初等数学」の42号に問題が載り、43号に解答と講評が載りました。ホームページでは、「6.今月の課題問題00/01年 」の「課題問題/第42号/2001年8月/明日葉号より」に掲載されています。また、「7.今月の課題問題02/03年 」の「課題問題/第46号/2003年4月/桜草号より」にも掲載されています。
     平成13年12月には、いちサラリーマンの男性からB問題9(1)について質問を受けました。
     しかし、今回のように高校生からの質問は初めてで、一番嬉しかったです。「この問題集は、数学をこよなく愛する生徒に刺激を与えるものとなることを願っている。」これがそもそも趣味の数学問題集を公開したねらいでもあるからです。
    (2002.10.1)
    (2015.3.25)