1

المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

الرياضيات : التفاضل و التكامل :

Arithmetic-Geometric Mean

المؤلف:  Abramowitz, M. and Stegun, I. A.

المصدر:  "The Process of the Arithmetic-Geometric Mean." §17.6 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover

الجزء والصفحة:  ...

26-6-2019

2645

Arithmetic-Geometric Mean

The arithmetic-geometric mean agm(a,b) of two numbers a and b (often also written AGM(a,b) or M(a,b)) is defined by starting with a_0=a and b_0=b, then iterating

a_(n+1) = 1/2(a_n+b_n)

(1)

b_(n+1) = sqrt(a_nb_n)

(2)

until a_n=b_n to the desired precision.

a_n and b_n converge towards each other since

a_(n+1)-b_(n+1) = 1/2(a_n+b_n)-sqrt(a_nb_n)

(3)

= (a_n-2sqrt(a_nb_n)+b_n)/2.

(4)

But sqrt(b_n)<sqrt(a_n), so

 2b_n<2sqrt(a_nb_n).

(5)

Now, add a_n-b_n-2sqrt(a_nb_n) to each side

 a_n+b_n-2sqrt(a_nb_n)<a_n-b_n,

(6)

so

 a_(n+1)-b_(n+1)<1/2(a_n-b_n).

(7)

AGMReal AGM

The top plots show agm(1,b) for 0<=b<=20 and agm(a,b) for 0<=a,b<=200, while the bottom two plots show agm(1,z) for complex values of z.

The AGM is very useful in computing the values of complete elliptic integrals and can also be used for finding the inverse tangent.

It is implemented in the Wolfram Language as ArithmeticGeometricMean[ab].

agm(a,b) can be expressed in closed form in terms of the complete elliptic integral of the first kind K(k) as

 agm(a,b)=((a+b)pi)/(4K((a-b)/(a+b))).

(8)

AGMReImAGMContours

The definition of the arithmetic-geometric mean also holds in the complex plane, as illustrated above for agm(1,z).

The Legendre form of the arithmetic-geometric mean is given by

 agm(1,x)=product_(n=0)^infty1/2(1+k_n),

(9)

where k_0=x and

 k_(n+1)=(2sqrt(k_n))/(1+k_n).

(10)

Special values of agm(a,b) are summarized in the following table. The special value

 1/(agm(1,sqrt(2)))=0.83462684167407318628...

(11)

(OEIS A014549) is called Gauss's constant. It has the closed form

1/(agm(1,sqrt(2))) = 2/piint_0^1(dt)/(sqrt(1-t^4))

(12)

= ([Gamma(1/4)]^2)/(2pi^(3/2)sqrt(2))

(13)

where the above integral is the lemniscate function and the equality of the arithmetic-geometric mean to this integral was known to Gauss (Borwein and Bailey 2003, pp. 13-15).

agm(a,b) Sloane value
agm(1,2) A068521 1.4567910310469068692...
agm(1,3) A084895 1.8636167832448965424...
agm(1,4) A084896 2.2430285802876025701...
agm(1,5) A084897 2.6040081905309402887...

The derivative of the AGM is given by

partial/(partialb)agm(a,b) = (agm(a,b))/((a-b)bpi)[2agm(a,b)E(k)-bpi]

(14)

= pi/(8kb)((a+b)E(k)-2bK(k))/([K(k)]^2),

(15)

where k=(a-b)/(a+b)K(k) is a complete elliptic integral of the first kind, and E(k) is the complete elliptic integral of the second kind.

A series expansion for agm(1,b) is given by

 agm(1,b)=-pi/(2ln(1/4b))+(pi[1+ln(1/4b)]b^2)/(8[ln(1/4b)]^2)+O(b^4).

(16)

The AGM has the properties

lambdaagm(a,b) = agm(lambdaa,lambdab)

(17)

agm(a,b) = agm(1/2(a+b),sqrt(ab))

(18)

agm(1,sqrt(1-x^2)) = agm(1+x,1-x)

(19)

agm(1,b) = (1+b)/2agm(1,(2sqrt(b))/(1+b)).

(20)

Solutions to the differential equation

 (x^3-x)(d^2y)/(dx^2)+(3x^2-1)(dy)/(dx)+xy=0

(21)

are given by [agm(1+x,1-x)]^(-1) and [agm(1,x)]^(-1).

A generalization of the arithmetic-geometric mean is

 I_p(a,b)=int_0^infty(x^(p-2)dx)/((x^p+a^p)^(1/p)(x^p+b^p)^((p-1)/p)),

(22)

which is related to solutions of the differential equation

(23)

The case p=2 corresponds to the arithmetic-geometric mean via

I_2(a,b) = int_0^infty(dx)/(sqrt((x^2+a^2)(x^2+b^2)))

(24)

= pi/(2agm(a,b)).

(25)

The case p=3 gives the cubic relative

I_3(a,b) = int_0^infty(xdx)/([(a^3+x^3)(b^3+x^3)^2]^(1/3))

(26)

= (Gamma^3(1/3)_2F_1(1/3,1/3;2/3;(a/b)^3))/(2pibsqrt(3))-(4api^2_2F_1(2/3,2/3;4/3;(a/b)^3))/(3b^2Gamma^3(1/3))

(27)

discussed by Borwein and Borwein (1990, 1991) and Borwein (1996). For a,b>0, this function satisfies the functional equation

 I_3(a,b)=I_3((a+2b)/3,[b/3(a^2+ab+b^2)]^(1/3)).

(28)

It therefore turns out that for iteration with a_0=a and b_0=b and

a_(n+1) = (a_n+2b_n)/3

(29)

b_(n+1) = [(b_n)/3(a_n^2+a_nb_n+b_n^2)]^(1/3),

(30)

so

 lim_(n->infty)a_n=lim_(n->infty)b_n=(I_3(1,1))/(I_3(a,b)),

(31)

where

 I_3(1,1)=(2pi)/(3sqrt(3)).

(32)

 


REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). "The Process of the Arithmetic-Geometric Mean." §17.6 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, pp. 571 and 598-599, 1972.

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

Borwein, J. M. Problem 10281. "A Cubic Relative of the AGM." Amer. Math. Monthly 103, 181-183, 1996.

Borwein, J. M. and Borwein, P. B. Pi & the AGM: A Study in Analytic Number Theory and Computational Complexity. New York: Wiley, 1987.

Borwein, J. M. and Borwein, P. B. "A Remarkable Cubic Iteration." In Computational Method & Function Theory: Proc. Conference Held in Valparaiso, Chile, March 13-18, 1989 (Ed. A. Dold, B. Eckmann, F. Takens, E. B. Saff, S. Ruscheweyh, L. C. Salinas, and R. S. Varga). New York: Springer-Verlag, 1990.

Borwein, J. M. and Borwein, P. B. "A Cubic Counterpart of Jacobi's Identity and the AGM." Trans. Amer. Math. Soc. 323, 691-701, 1991.

Press, W. H.; Flannery, B. P.; Teukolsky, S. A.; and Vetterling, W. T. Numerical Recipes in FORTRAN: The Art of Scientific Computing, 2nd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 906-907, 1992.

Sloane, N. J. A. Sequences A014549, A068521, A084895, A084896, and A084897 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

EN

تصفح الموقع بالشكل العمودي