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
تربية الماشية في روسيا الفيدرالية
2024-11-06
تربية ماشية اللبن في البلاد الأفريقية
2024-11-06
تربية الماشية في جمهورية مصر العربية
2024-11-06
The structure of the tone-unit
2024-11-06
IIntonation The tone-unit
2024-11-06
Tones on other words
2024-11-06

مجال فيرميوني fermion field
7-4-2019
لا قصاص ولا اتهام قبل الجناية
12-10-2014
الامتصاص Absorption
16-6-2022
 الإمام زين العابدين ( عليه السّلام ) في سطور
28/9/2022
Complex coupling
13-8-2019
البيئة الملائمة لزراعة العصفر او القرطم
2023-06-09

Arithmetic-Geometric Mean  
  
2774   02:07 مساءً   date: 17-3-2019
Author : Abramowitz, M. and Stegu"The Process of the Arithmetic-Geometric Mean." §17.6 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dovern, I. A.
Book or Source : "The Process of the Arithmetic-Geometric Mean." §17.6 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th...
Page and Part : ...


Read More
Date: 15-6-2019 2671
Date: 5-9-2019 1240
Date: 30-9-2019 2403

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."




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.