SlideShare a Scribd company logo
1 of 7
Download to read offline
John Wallis (1616-1703)

       π  2 2 4 4 6 6
         = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ L
        2 1 3 3 5 5 7                       Wallis’ Product (version 1)

       John Wallis (ค.ศ. 1616-1703) นักคณิตศาสตรชาวอังกฤษ ผูมีสวนรวมในการพัฒนาเรขาคณิตวิเคราะห
และภาคตัดกรวย (conic sections) รวมกับ René Descartes โดยผลงานทางคณิตศาสตรของเขาเนนในเรื่อง
ตรีโกณมิติ แคลคูลัส เรขาคณิตวิเคราะห และการวิเคราะหอนุกรมอนันต นอกจากนั้นเครื่องหมาย ∞ (infinity)
ที่เราใชกันอยูในปจจุบันก็เปน “ สิ่งประดิษฐทางคณิตศาสตร ” หนึ่งในจํานวนผลงานอันมากมายของเขาอีก
ดวย
       ในป ค.ศ. 1655 John Wallis ไดเสนอผลคูณอนันต (infinite product) ของตัวเลขชุดหนึ่ง ซึ่งคาของผล
คูณอนันตนั้นลูเขา (convergent) หาคาคงที่ ที่มีความสําคัญอยางมากในคณิตศาสตร นั่นคือ พาย ( π ) และเรียก
ชุดของผลคูณอนันตนั้นวา “ ผลคูณของวอลลิซ (Wallis’ product) ”
       ผูเขียนมีความตั้งใจนําเสนอวิธีการพิสูจนคา π ที่เขียนอยูในรูปผลคูณของวอลลิซ โดยการพิสูจนในฉบับ
นี้จะอาศัยวิธีการทางแคลคูลัสเชิงปริพันธ (integral calculus) เริ่มตนจากการพิจารณาปริพันธจํากัดเขต (finite
integral) ของฟงกชั่นตรีโกณมิติ sin p x ที่อยูในรูป

                                                     π 2
                                                 ∫0
                                                           sin p x dx

      โดยพิจารณา กรณีที่ p = 2n , 2n + 1 และ p = 2n + 2 สําหรับทุกจํานวนเต็มบวก n ซึ่งเปนการหา
ปริพันธของฟงกชั่นที่เขียนในรูปแบบทั่วไป ทําไดโดยอาศัยสูตรลดทอน (reduction formula) ดังนี้ (โดยขอไม
แสดงการพิสูจน และหากผูอานตองการทราบขั้นตอนการพิสูจน สามารถทําโดยอาศัยเทคนิคการหาปริพันธที
ละสวน (integration by parts) หรือศึกษาจากเอกสารอางอิงทายบทความ)

                                sin p −1 x ⋅ cos x p − 1
       I p = ∫ sin p x dx = −                                                                 สําหรับทุกจํานวนเต็มบวก
                                                     p ∫
                                                  +      sin p − 2 x dx + c                                             p≥2
                                         p


พิจารณาปริพันธจํากัดเขตจาก       x=0    ถึง   x=    π
                                                     2   ของฟงกชั่น sin p x ในกรณีตางๆ ดังนี้
                                                              π 2
1. กรณีที่   p = 2n   จากสูตรลดทอนเรามี            I 2n = ∫
                                                           0
                                                                    sin 2 n x dx

                                                                        π 2
                                         ⎛ sin 2 n −1 x ⋅ cos x ⎞        2n − 1 π 2 2 n − 2
                                                                          2n ∫0
                                      = −⎜
                                         ⎜                      ⎟
                                                                ⎟      +           sin      x dx
                                         ⎝           2n         ⎠ x =0
                                        2n − 1 π 2 2 n − 2
                                                                                                                        (1)
                                         2n ∫0
                                      =               sin      x dx


     การหาผลเฉลยในรูปแบบทั่วไป (general solution) ของคาปริพันธในสมการ (1) พิจารณาไดจากแทนคา
n = 1 , 2 , ... แล ว หาความสั ม พั น ธ ใ นลั ก ษณะของพจน ทั่ ว ไป ซึ่ ง เราจะแสดงให เ ห็ น ต อ ไปว า ผลเฉลยใน
รูปแบบทั่วไปที่กลาวถึงนั้น อยูในรูปของผลคูณอนันต (infinite products)

                                1 π2      1 π 2 ⎛ 1 ⎞⎛ π ⎞
สําหรับ n = 1 ;            I1 =   ∫0 dx = 2 x 0 = ⎜ 2 ⎟⎜ 2 ⎟
                                2                 ⎝ ⎠⎝ ⎠
                                3 π2            3 π 2 ⎛ 1 − cos 2 x ⎞
สําหรับ n = 2 ;            I 2 = ∫ sin 2 x dx = ∫ ⎜                 ⎟ dx
                                4 0             4 0 ⎝        2      ⎠
                                                                                       { จากเอกลักษณ sin 2 θ = 1 − cos 2θ }
                                                                                                                    2
                                                          π 2
                                    3 ⎛ x sin 2 x ⎞
                                =     ⎜ −         ⎟
                                    4⎝2      4 ⎠ x =0
                                  ⎛ 3 ⎞⎛ π ⎞ ⎛ 3 ⎞⎛ 1 ⎞⎛ π ⎞
                                = ⎜ ⎟⎜ ⎟ = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟
                                  ⎝ 4 ⎠⎝ 4 ⎠ ⎝ 4 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠
                                               5 π 2 ⎛ 1 − cos 2 x ⎞
                                                                                         2
                                5 π2
สําหรับ   n=3   ;          I 3 = ∫ sin 4 x dx = ∫ ⎜                ⎟ dx
                                6 0            6 0 ⎝        2      ⎠
                                 5 1 π 2
                                               (
                               = ⋅ ∫ 1 − 2 cos 2 x + cos 2 2 x dx
                                 6 4 0
                                                                                   )
                                 5 1 π 2⎛              1 + cos 4 x ⎞
                               = ⋅ ∫ ⎜1 − 2 cos 2 x +              ⎟ dx
                                 6 4 0
                                         ⎝                  2      ⎠
                                                                                       { จากเอกลักษณ cos 2 θ = 1 + cos 2θ }
                                                                                                                    2
                                                                                        π 2
                                    5 1⎛              1   1        ⎞
                                =    ⋅ ⎜ x − sin 2 x + x + sin 4 x ⎟
                                    6 4⎝              2   8        ⎠ x =0
π 2
                                       5 1 ⎛ 3x ⎞
                                  =     ⋅ ⎜ ⎟
                                       6 4 ⎝ 2 ⎠ x =0
                                   ⎛ 5 ⎞⎛ 1 ⎞⎛ 3π     ⎞ ⎛ 5 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 1 ⎞⎛ π ⎞
                                 = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜            ⎟ = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟
                                   ⎝ 6 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 4      ⎠ ⎝ 6 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠

โดยสังเกตความสัมพันธขางตน จะพบวา
                                ⎛ 2n − 1 ⎞ ⎛ 5 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 1 ⎞⎛ π ⎞
สําหรับ n = n ;            In = ⎜        ⎟ L ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟
                                ⎝ 2n ⎠ ⎝ 6 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠

ดังนั้น
                                π 2                  ⎛ π ⎞⎛ 1 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞ ⎛ 2n − 1 ⎞ π n ⎛ 2i − 1 ⎞
                     I 2n = ∫         sin 2 n x dx = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ L ⎜              ⎟ = ∏⎜         ⎟
                            0
                                                     ⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠ ⎝ 2n ⎠ 2 i =1 ⎝ 2i ⎠

                                                                      π 2
2. กรณีที่   p = 2n + 1   จากสูตรลดทอนเรามี            I 2 n +1 = ∫
                                                                  0
                                                                            sin 2 n +1 x dx
                                                                                    π 2
                                                      ⎛ sin 2 n x ⋅ cos x ⎞           2n π 2 2 n −1
                                                                                     2n + 1 ∫0
                                                   = −⎜
                                                      ⎜                     ⎟
                                                                            ⎟      +           sin  x dx
                                                      ⎝      2n + 1         ⎠ x =0
                                                      2n       π 2
                                                   =         ∫0 sin x dx
                                                                      2 n −1
                                                                                                           (2)
                                                     2n + 1


คาปริพันธในสมการ (2) พิจารณาไดในทํานองเดียวกับกรณีแรก คือ
                                                                              π 2
                                 2 π2
                           I 1 = ∫ sin x dx = − (cos x ) =
                                                  2             2
สําหรับ n = 1 ;
                                 3 0              3        0    3
                                 4 π2
สําหรับ n = 2 ;            I 2 = ∫ sin 3 x dx
                                 5 0
                                = ∫ (1 − cos 2 x )sin x dx = − ∫ (1 − cos 2 x ) d (cos x )
                                  4 π2                        4 π2
                                  5 0                         5 0
                                                                 π 2
                                    4⎛         cos 3 x ⎞
                                 = − ⎜ cos x −         ⎟
                                    5⎜
                                     ⎝           3 ⎟ x =0
                                                       ⎠
                                 4 ⎛ 1 ⎞ ⎛ 4 ⎞⎛ 2 ⎞
                                 = ⎜1 − ⎟ = ⎜ ⎟⎜ ⎟
                                 5 ⎝ 3 ⎠ ⎝ 5 ⎠⎝ 3 ⎠
                                6 π2
สําหรับ n = 3 ;            I 3 = ∫ sin 5 x dx
                                7 0
                               = ∫ (1 − cos 2 x ) sin x dx
                                 6 π2            2

                                 7 0
                                   6 π2
                                               (
                               = − ∫ 1 − 2 cos 2 x + cos 4 x d (cos x )
                                   7 0
                                                                                )
                                                                                          π 2
                                       6⎛      2         1        ⎞
                                  = − ⎜ cos x − cos 3 x + cos 5 x ⎟
                                       7⎝      3         5        ⎠ x =0
                                    ⎛ 6 ⎞⎛ 8 ⎞ ⎛ 6 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 2 ⎞
                                  = ⎜ − ⎟⎜ − ⎟ = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟
                                    ⎝ 7 ⎠⎝ 15 ⎠ ⎝ 7 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 3 ⎠
โดยสังเกตความสัมพันธขางตน จะพบวา
                                        ⎛ 2n ⎞ ⎛ 6 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 2 ⎞
สําหรับ n = n ;                    In = ⎜        ⎟ L ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟
                                        ⎝ 2n + 1 ⎠ ⎝ 7 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 3 ⎠

ดังนั้น
                                              π 2                     ⎛ 2 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 6 ⎞ ⎛ 2n ⎞       n
                                                                                                      ⎛ 2i ⎞
                               I 2 n +1 = ∫         sin 2 n +1 x dx = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ L ⎜            ⎟ = ∏⎜          ⎟
                                            0
                                                                      ⎝ 3 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 7 ⎠ ⎝ 2n + 1 ⎠ i =1 ⎝ 2i + 1 ⎠


3. กรณีที่     p = 2n + 2         จากสูตรลดทอนเรามี              I 2 n + 2 = ∫ sin 2 n + 2 x dx
                                                                                         π 2
                                                               ⎛ sin 2 n +1 x ⋅ cos x ⎞        2n + 1 π 2 2 n
                                                            = −⎜
                                                               ⎜
                                                               ⎝       2n + 2
                                                                                      ⎟
                                                                                      ⎟      +       ∫ sin x dx
                                                                                      ⎠ x = 0 2n + 2 0
                                                              2n + 1 π 2 2 n
                                                                                                                            (3)
                                                              2n + 2 ∫0
                                                            =                sin x dx


      รูปแบบทั่วไปของปริพันธในสมการ (3) ใหเราสังเกตวา เมื่อแทนคา                              n = 1 จะได I 1   ในกรณีนี้มีคา

เทากับ   I2   ในกรณีที่      p = 2n

                                         3 π2 2              ⎛ 3 ⎞⎛ 1 ⎞⎛ π ⎞
สําหรับ n = 1 ;                    I1 =    ∫0 sin x dx =⎜ 4 ⎟⎜ 2 ⎟⎜ 2 ⎟                           {เทากับ I 2 ในกรณีที่   p = 2n   }
                                         4                   ⎝ ⎠⎝ ⎠⎝ ⎠
                                         5 π2                ⎛ 5 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 1 ⎞⎛ π ⎞
สําหรับ n = 2 ;                    I 3 = ∫ sin 4 x dx =⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟                               {เทากับ I 3 ในกรณีที่   p = 2n   }
                                         6  0
                                                             ⎝ 6 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠
                                         7 π2                  ⎛ 7 ⎞⎛ 5 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 1 ⎞⎛ π ⎞
สําหรับ n = 3 ;                    I 3 = ∫ sin 6 x dx = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟                           {เทากับ I 4 ในกรณีที่ p = 2n }
                                         8 0                   ⎝ 8 ⎠⎝ 6 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠
                                         ⎛ π ⎞⎛ 1 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞⎛ 7 ⎞ ⎛ 2n + 1 ⎞
สําหรับ n = n ;                    I n = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ L ⎜          ⎜          ⎟
                                                                                 ⎟                {เทากับ I n+1 ในกรณีที่ p = 2n }
                                         ⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠⎝ 8 ⎠ ⎝ 2(n + 1) ⎠

ดังนั้น
                                          π 2                      ⎛ π ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞ ⎛ 2n − 1 ⎞ π n ⎛ 2i + 1 ⎞
                             I 2n+2 = ∫         sin 2 n + 2 x dx = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ L⎜             ⎟ = ∏⎜⎜         ⎟
                                                                                                            ⎟
                                       0
                                                                   ⎝ 4 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠ ⎝ 2n ⎠ 4 i =1 ⎝ 2(i + 1) ⎠


เราสรุปคาปริพันธจํากัดเขต ของฟงกชั่น sin p x ในกรณีตางๆ ไดดังนี้

                                            ⎧                     ⎛ π ⎞⎛ 1 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞ ⎛ 2n − 1 ⎞
                                            ⎪ I 2n =              ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ L ⎜              ⎟ if p = 2n
                                            ⎪                     ⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠ ⎝ 2n ⎠
                         π                  ⎪                     ⎛ π ⎞⎛ 2 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 6 ⎞ ⎛ 2n ⎞
                     ∫
                             2
                               sin p x dx = ⎨ I 2 n +1 =          ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ L ⎜              ⎟ if p = 2n + 1
                      0
                                            ⎪                     ⎝ 2 ⎠⎝ 3 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 7 ⎠ ⎝ 2n + 1 ⎠
                                            ⎪                     ⎛ π ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞⎛ 7 ⎞ ⎛ 2n − 1 ⎞
                                            ⎪ I 2n+2 =            ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ L ⎜              ⎟ if p = 2n + 2
                                            ⎩                     ⎝ 4 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠⎝ 8 ⎠ ⎝ 2n ⎠
ในการเปรียบเทียบคาปริพันธที่อยูในรูปผลคูณอนันต สามารถทําไดโดยอาศัยสมบัติการเปรียบเทียบ
(comparison property) ดังทฤษฎีบท 1 และ 2 ตอไปนี้ (โดยไมกลาวถึงการพิสูจน)

ทฤษฎี บ ท 1 ให f เป น ฟ ง ก ชั่ น ที่ ส ามารถหาปริ พั น ธ ไ ด บ นช ว ง        [a, b]   และ f (x ) ≥ 0 สํ า หรั บ ทุ ก ค า
x ∈ [a, b] แลว ∫ f ( x ) dx ≥ 0                                                                                      □
                 b

                 a




ทฤษฎีบท 2 ถา f และ g เปนฟงกชั่นที่สามารถหาปริพันธไดบนชวง [a, b] และ f (x ) ≤ g (x ) สําหรับทุก
คา x ∈ [a, b] แลว ∫a f (x ) dx ≤ ∫a g (x ) dx                                               □
                     b              b




ในทฤษฎีบท 2 ทําใหเราสามารถเปรียบเทียบคาปริพันธทั้งสามที่อยูในรูปผลคูณอนันตได โดยการพิจารณาที่
ตั ว ถู ก ปริ พั น ธ (integrand) เนื่ อ งจากฟ ง ก ชั่ น ตรี โ กณมิ ติ sin x เป น ฟ ง ก ชั่ น ลดบนโดเมน [0, π2 ] และ
2n ≤ 2n + 1 ≤ 2n + 2 สําหรับทุกจํานวนเต็มบวก n
ดังนั้น
                                          sin 2 n x ≥ sin 2 n +1 x ≥ sin 2 n + 2 x

จากสมบัติการเปรียบเทียบในทฤษฎีบท 2 จึงสรุปไดวา

                                                 I 2 n ≥ I 2 n +1 ≥ I 2 n + 2

                                                                                         π 2
เนื่องจากในควอดรันตที่หนึ่ง sin 2 n x > 0 โดยทฤษฎีบท 1 จะไดวา I 2n = ∫0                     sin 2 n x dx > 0   เมื่อนํามาหาร
ตลอดอสมการ จึงไมเปลี่ยนแปลงเครื่องหมาย นั่นคือ

                                                       I 2 n +1 I 2 n + 2
                                                  1≥           ≥                                                        (4)
                                                        I 2n     I 2n


     เราสามารถเปรียบเทียบผลลัพธของปริพันธในสมการ (4) สําหรับทุกจํานวนเต็มบวก                                     n   ใดๆ โดย
กําหนดให n → ∞ และอาศัยทฤษฎีบท 3 ตอไปนี้


ทฤษฎีบท 3 ( Sandwich theorem for sequences ) พิจารณาลําดับของจํานวนจริงซึ่ง an ≤ bn ≤ cn โดยที่
n เปนจํานวนเต็มบวกใดๆ ถา lim a n = lim c n = L แลว lim bn = L
                           n →∞      n→∞              n→∞
พจนดานขวา ของอสมการ (4) อยูในรูป
                                                            n
                                                                  ⎛ 2i + 1 ⎞
                                                      π
                                                      4   ∏ ⎜ 2(i + 1) ⎟
                                                            ⎜          ⎟
                                          I 2n+ 2
                                                  =          ⎝
                                                           i =1         ⎠
                                           I 2n               ⎛ 2i − 1 ⎞
                                                              n

                                                       2 ∏⎜
                                                       π
                                                                       ⎟
                                                         i =1 ⎝ 2i ⎠


                                                     ⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞⎛ 7 ⎞ ⎛ 2n − 1 ⎞⎛ 2n + 1 ⎞
                                                     ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ K⎜             ⎟⎜        ⎟
                                                  1 ⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠⎝ 8 ⎠ ⎝ 2n ⎠⎝ 2n + 2 ⎠
                                                 = ⋅
                                                  2     ⎛ 1 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞⎛ 7 ⎞ ⎛ 2n − 1 ⎞
                                                        ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ K ⎜              ⎟
                                                        ⎝ 2 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠⎝ 8 ⎠ ⎝ 2n ⎠

จะเห็นวาในเศษสวนซอนนัน มีตัวเศษและตัวสวนตัดกันเปนคูๆ จะได
                        ้
                                                      I 2 n + 2 2n + 1
                                                               =
                                                       I 2n      2n + 2

เมื่อพิจารณาเปนผลคูณอนันต ทําโดยกําหนดใหเปนคาลิมิต เมื่อ n → ∞ จะได
                                                                               1
                                                                            2+
                                                          I 2n+2               n =1
                                                 lim                 = lim
                                                 n→∞       I 2n        n →∞    1
                                                                            2+
                                                                               n
ดังนั้น
                                                                I 2n+2
                                                             lim       =1
                                                             n→∞ I
                                                                   2n


                                                                                    I 2n+2
พจนกลาง จาก Sandwich Theorem (ทฤษฎีบท 3) โดยพิจารณา lim
                                                     n →∞
                                                                                           = 1 และ lim 1 = 1
                                                                                                   n→∞
                                                                                                               จึงสรุปไดวา
                                                                                     I 2n

                                                                      I 2 n +1
                                                                  lim
                                                                  n →∞ I
                                                                               =1                                     (5)
                                                                         2n



                                   n
                                       ⎛ 2i ⎞           ⎛ 2 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 6 ⎞⎛ 8 ⎞ ⎛ 2n ⎞
                   I 2 n +1       ∏ ⎜ 2i + 1 ⎟
                                    ⎝        ⎠
                                                        ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ K⎜               ⎟
                                                        ⎝ 3 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 7 ⎠⎝ 9 ⎠ ⎝ 2n + 1 ⎠
พิจารณา                        = ni =1
                                                    =
                    I 2n                  ⎛ 2i − 1 ⎞ ⎛ π ⎞⎛ 1 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞⎛ 7 ⎞ ⎛ 2n − 1 ⎞
                                2 ∏⎜
                                π
                                                   ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ K⎜                 ⎟
                                     i =1 ⎝ 2i ⎠      ⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠⎝ 8 ⎠ ⎝ 2n ⎠

                                      ⎡ ⎛ 2 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 6 ⎞⎛ 8 ⎞ ⎛ 2n ⎞ ⎤
                                      ⎢ 2 ⎜ 3 ⎟⎜ 5 ⎟⎜ 7 ⎟⎜ 9 ⎟ K ⎜ 2n + 1 ⎟ ⎥
                               = lim ⎢ ⋅ ⎝ ⎠⎝ ⎠⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝                   ⎠⎥
                    I 2 n +1
จะได       lim
                                 n →∞ ⎢ π ⎛ 1 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞⎛ 7 ⎞
             n→∞     I 2n                                        ⎛ 2n − 1 ⎞ ⎥
                                      ⎢ ⎜ 2 ⎟⎜ 4 ⎟⎜ 6 ⎟⎜ 8 ⎟ K ⎜ 2n ⎟ ⎥
                                      ⎣ ⎝ ⎠⎝ ⎠⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝                    ⎠⎦
⎡ 2 ⎛ 2 ⎞⎛ 2 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 6 ⎞⎛ 6 ⎞⎛ 8 ⎞ ⎛ 2n ⎞⎛ 2n ⎞⎤
                  = lim ⎢ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ K⎜                     ⎟⎜        ⎟⎥
                    n →∞ π
                        ⎣ ⎝ 1 ⎠⎝ 3 ⎠⎝ 3 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 7 ⎠⎝ 7 ⎠ ⎝ 2n − 1 ⎠⎝ 2n + 1 ⎠⎦
                      2 ⎛ 2 ⎞⎛ 2 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 6 ⎞⎛ 6 ⎞
                 1=     ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ K                                          (จากสมการ (5))
                      π ⎝ 1 ⎠⎝ 3 ⎠⎝ 3 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 7 ⎠

ดังนั้น
                                        π       2 2 4 4 6 6
                                            =    ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ K
                                        2       1 3 3 5 5 7

       ในบทความนี้ เราไดนําความรูแคลคูลัสเชิงปริพันธ และฟงกชนตรีโกณมิติไซน มาประยุกตใชในการ
                                                                 ั่
พิสูจนผลคูณของวอลลิซ ซึ่งทําใหเราสามารถหาคาพายทีอยูในรูปผลคูณอนันตได นอกจากนั้น เรายังสามารถ
                                                      ่
พิสูจนผลคูณของวอลลิซดวยวิธีการอื่นไดอก โดยผูเขียนจะนํามาเสนอในโอกาสตอไป
                                        ี

หมายเหตุ บทความนี้ผูเขียนตั้งใจทีจะนําเอาคําวา “ ปริพันธ ” มาใชแทนคําเดิมคือ “ อินทิเกรต ” ที่มีใชกันอยู
                                  ่
กอนซึ่งเปนทับศัพทมาจากภาษาอังกฤษ คือ integrate และคําวา “ ตัวถูกปริพันธ ” ในความหมายเดิมคือ ตัวถูก
อินทิเกรต (integrand) โดยตองการใหเกิดความคุนเคย และมีการนําคําดังกลาวไปใชกันมากขึ้น

เอกสารอางอิง
       1. James Stewart, Single Variable Calculus: Early Transcendentals (6th edition), Thomson
       Brooks/Cole, USA, 2008.
       2. ภาพนํามาจาก www.wikipedia free encyclopedia.org


ขอมูลผูเขียน : นายอิทธิเดช มูลมั่งมี นักศึกษาปริญญาโท ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล
                 คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกลาธนบุรี

ชื่อบัญชี นายอิทธิเดช มูลมั่งมี เลขที่บัญชี 029-0-06107-5 ประเภทออมทรัพย ธนาคารกรุงไทย
สาขา ถนนสุขสวัสดิ์ ที่อยู 53/463 หมูบานสามัคคี (นวมินทร 105) ถนนนวมินทร ตําบลคลองกุม
                                     
เขตบึงกุม กทม. 10240 เบอรโทรศัพท 08-6579-4040 หรือ 02-5108103

More Related Content

Viewers also liked (10)

Robust and quadratic stabilization of tora system via dsc technique
Robust and quadratic stabilization of tora system via dsc techniqueRobust and quadratic stabilization of tora system via dsc technique
Robust and quadratic stabilization of tora system via dsc technique
 
DeustoTech Internet at TASS 2015: Sentiment analysis and polarity classifica...
DeustoTech Internet at TASS 2015:  Sentiment analysis and polarity classifica...DeustoTech Internet at TASS 2015:  Sentiment analysis and polarity classifica...
DeustoTech Internet at TASS 2015: Sentiment analysis and polarity classifica...
 
Seminar2012 d
Seminar2012 dSeminar2012 d
Seminar2012 d
 
Calculus of variation ตอนที่ 3 (จบ)
Calculus of variation ตอนที่ 3 (จบ)Calculus of variation ตอนที่ 3 (จบ)
Calculus of variation ตอนที่ 3 (จบ)
 
Contraction Mapping
Contraction MappingContraction Mapping
Contraction Mapping
 
Sliding Mode Control Stability (Jan 19, 2013)
Sliding Mode Control Stability (Jan 19, 2013)Sliding Mode Control Stability (Jan 19, 2013)
Sliding Mode Control Stability (Jan 19, 2013)
 
Comparison Principle
Comparison PrincipleComparison Principle
Comparison Principle
 
Sliding mode control (revised march, 2012)
Sliding mode control (revised march, 2012)Sliding mode control (revised march, 2012)
Sliding mode control (revised march, 2012)
 
An Approach to Subjectivity Detection on Twitter Using the Structured Informa...
An Approach to Subjectivity Detection on Twitter Using the Structured Informa...An Approach to Subjectivity Detection on Twitter Using the Structured Informa...
An Approach to Subjectivity Detection on Twitter Using the Structured Informa...
 
Stabilization of Inertia Wheel Pendulum using Multiple Sliding Surface Contro...
Stabilization of Inertia Wheel Pendulum using Multiple Sliding Surface Contro...Stabilization of Inertia Wheel Pendulum using Multiple Sliding Surface Contro...
Stabilization of Inertia Wheel Pendulum using Multiple Sliding Surface Contro...
 

More from อิทธิเดช มูลมั่งมี

More from อิทธิเดช มูลมั่งมี (12)

Peaking phenomenon
Peaking phenomenonPeaking phenomenon
Peaking phenomenon
 
Constructive nonlinear smc
Constructive nonlinear smcConstructive nonlinear smc
Constructive nonlinear smc
 
A contribution to the control of the non holonomic integrator including drift...
A contribution to the control of the non holonomic integrator including drift...A contribution to the control of the non holonomic integrator including drift...
A contribution to the control of the non holonomic integrator including drift...
 
วารสารคณิตศาสตร์ ฉบับพิเศษ
วารสารคณิตศาสตร์ ฉบับพิเศษวารสารคณิตศาสตร์ ฉบับพิเศษ
วารสารคณิตศาสตร์ ฉบับพิเศษ
 
In–Cylinder Air Estimation on Diesel Dual Fuel Engine Using Kalman Filter
In–Cylinder Air Estimation on Diesel Dual Fuel Engine Using Kalman FilterIn–Cylinder Air Estimation on Diesel Dual Fuel Engine Using Kalman Filter
In–Cylinder Air Estimation on Diesel Dual Fuel Engine Using Kalman Filter
 
Sliding Mode Control of Air-Path in Diesel Dual-Fuel Engine
Sliding Mode Control of Air-Path in Diesel Dual-Fuel EngineSliding Mode Control of Air-Path in Diesel Dual-Fuel Engine
Sliding Mode Control of Air-Path in Diesel Dual-Fuel Engine
 
Lyapunov stability 1
Lyapunov  stability 1Lyapunov  stability 1
Lyapunov stability 1
 
Lyapunov stability 2
Lyapunov stability 2Lyapunov stability 2
Lyapunov stability 2
 
Calculus of variation ตอนที่ 2
Calculus of variation ตอนที่ 2Calculus of variation ตอนที่ 2
Calculus of variation ตอนที่ 2
 
สมการการแปลงพิกัด
สมการการแปลงพิกัดสมการการแปลงพิกัด
สมการการแปลงพิกัด
 
เรขาคณิตของการสะท้อนของแสง
เรขาคณิตของการสะท้อนของแสงเรขาคณิตของการสะท้อนของแสง
เรขาคณิตของการสะท้อนของแสง
 
การประมาณค่าพาย
การประมาณค่าพายการประมาณค่าพาย
การประมาณค่าพาย
 

Wallis product (การประมาณ่า Pi)

  • 1. John Wallis (1616-1703) π 2 2 4 4 6 6 = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ L 2 1 3 3 5 5 7 Wallis’ Product (version 1) John Wallis (ค.ศ. 1616-1703) นักคณิตศาสตรชาวอังกฤษ ผูมีสวนรวมในการพัฒนาเรขาคณิตวิเคราะห และภาคตัดกรวย (conic sections) รวมกับ René Descartes โดยผลงานทางคณิตศาสตรของเขาเนนในเรื่อง ตรีโกณมิติ แคลคูลัส เรขาคณิตวิเคราะห และการวิเคราะหอนุกรมอนันต นอกจากนั้นเครื่องหมาย ∞ (infinity) ที่เราใชกันอยูในปจจุบันก็เปน “ สิ่งประดิษฐทางคณิตศาสตร ” หนึ่งในจํานวนผลงานอันมากมายของเขาอีก ดวย ในป ค.ศ. 1655 John Wallis ไดเสนอผลคูณอนันต (infinite product) ของตัวเลขชุดหนึ่ง ซึ่งคาของผล คูณอนันตนั้นลูเขา (convergent) หาคาคงที่ ที่มีความสําคัญอยางมากในคณิตศาสตร นั่นคือ พาย ( π ) และเรียก ชุดของผลคูณอนันตนั้นวา “ ผลคูณของวอลลิซ (Wallis’ product) ” ผูเขียนมีความตั้งใจนําเสนอวิธีการพิสูจนคา π ที่เขียนอยูในรูปผลคูณของวอลลิซ โดยการพิสูจนในฉบับ นี้จะอาศัยวิธีการทางแคลคูลัสเชิงปริพันธ (integral calculus) เริ่มตนจากการพิจารณาปริพันธจํากัดเขต (finite integral) ของฟงกชั่นตรีโกณมิติ sin p x ที่อยูในรูป π 2 ∫0 sin p x dx โดยพิจารณา กรณีที่ p = 2n , 2n + 1 และ p = 2n + 2 สําหรับทุกจํานวนเต็มบวก n ซึ่งเปนการหา ปริพันธของฟงกชั่นที่เขียนในรูปแบบทั่วไป ทําไดโดยอาศัยสูตรลดทอน (reduction formula) ดังนี้ (โดยขอไม
  • 2. แสดงการพิสูจน และหากผูอานตองการทราบขั้นตอนการพิสูจน สามารถทําโดยอาศัยเทคนิคการหาปริพันธที ละสวน (integration by parts) หรือศึกษาจากเอกสารอางอิงทายบทความ) sin p −1 x ⋅ cos x p − 1 I p = ∫ sin p x dx = − สําหรับทุกจํานวนเต็มบวก p ∫ + sin p − 2 x dx + c p≥2 p พิจารณาปริพันธจํากัดเขตจาก x=0 ถึง x= π 2 ของฟงกชั่น sin p x ในกรณีตางๆ ดังนี้ π 2 1. กรณีที่ p = 2n จากสูตรลดทอนเรามี I 2n = ∫ 0 sin 2 n x dx π 2 ⎛ sin 2 n −1 x ⋅ cos x ⎞ 2n − 1 π 2 2 n − 2 2n ∫0 = −⎜ ⎜ ⎟ ⎟ + sin x dx ⎝ 2n ⎠ x =0 2n − 1 π 2 2 n − 2 (1) 2n ∫0 = sin x dx การหาผลเฉลยในรูปแบบทั่วไป (general solution) ของคาปริพันธในสมการ (1) พิจารณาไดจากแทนคา n = 1 , 2 , ... แล ว หาความสั ม พั น ธ ใ นลั ก ษณะของพจน ทั่ ว ไป ซึ่ ง เราจะแสดงให เ ห็ น ต อ ไปว า ผลเฉลยใน รูปแบบทั่วไปที่กลาวถึงนั้น อยูในรูปของผลคูณอนันต (infinite products) 1 π2 1 π 2 ⎛ 1 ⎞⎛ π ⎞ สําหรับ n = 1 ; I1 = ∫0 dx = 2 x 0 = ⎜ 2 ⎟⎜ 2 ⎟ 2 ⎝ ⎠⎝ ⎠ 3 π2 3 π 2 ⎛ 1 − cos 2 x ⎞ สําหรับ n = 2 ; I 2 = ∫ sin 2 x dx = ∫ ⎜ ⎟ dx 4 0 4 0 ⎝ 2 ⎠ { จากเอกลักษณ sin 2 θ = 1 − cos 2θ } 2 π 2 3 ⎛ x sin 2 x ⎞ = ⎜ − ⎟ 4⎝2 4 ⎠ x =0 ⎛ 3 ⎞⎛ π ⎞ ⎛ 3 ⎞⎛ 1 ⎞⎛ π ⎞ = ⎜ ⎟⎜ ⎟ = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ 4 ⎠⎝ 4 ⎠ ⎝ 4 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠ 5 π 2 ⎛ 1 − cos 2 x ⎞ 2 5 π2 สําหรับ n=3 ; I 3 = ∫ sin 4 x dx = ∫ ⎜ ⎟ dx 6 0 6 0 ⎝ 2 ⎠ 5 1 π 2 ( = ⋅ ∫ 1 − 2 cos 2 x + cos 2 2 x dx 6 4 0 ) 5 1 π 2⎛ 1 + cos 4 x ⎞ = ⋅ ∫ ⎜1 − 2 cos 2 x + ⎟ dx 6 4 0 ⎝ 2 ⎠ { จากเอกลักษณ cos 2 θ = 1 + cos 2θ } 2 π 2 5 1⎛ 1 1 ⎞ = ⋅ ⎜ x − sin 2 x + x + sin 4 x ⎟ 6 4⎝ 2 8 ⎠ x =0
  • 3. π 2 5 1 ⎛ 3x ⎞ = ⋅ ⎜ ⎟ 6 4 ⎝ 2 ⎠ x =0 ⎛ 5 ⎞⎛ 1 ⎞⎛ 3π ⎞ ⎛ 5 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 1 ⎞⎛ π ⎞ = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ 6 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 4 ⎠ ⎝ 6 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠ โดยสังเกตความสัมพันธขางตน จะพบวา ⎛ 2n − 1 ⎞ ⎛ 5 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 1 ⎞⎛ π ⎞ สําหรับ n = n ; In = ⎜ ⎟ L ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ 2n ⎠ ⎝ 6 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠ ดังนั้น π 2 ⎛ π ⎞⎛ 1 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞ ⎛ 2n − 1 ⎞ π n ⎛ 2i − 1 ⎞ I 2n = ∫ sin 2 n x dx = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ L ⎜ ⎟ = ∏⎜ ⎟ 0 ⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠ ⎝ 2n ⎠ 2 i =1 ⎝ 2i ⎠ π 2 2. กรณีที่ p = 2n + 1 จากสูตรลดทอนเรามี I 2 n +1 = ∫ 0 sin 2 n +1 x dx π 2 ⎛ sin 2 n x ⋅ cos x ⎞ 2n π 2 2 n −1 2n + 1 ∫0 = −⎜ ⎜ ⎟ ⎟ + sin x dx ⎝ 2n + 1 ⎠ x =0 2n π 2 = ∫0 sin x dx 2 n −1 (2) 2n + 1 คาปริพันธในสมการ (2) พิจารณาไดในทํานองเดียวกับกรณีแรก คือ π 2 2 π2 I 1 = ∫ sin x dx = − (cos x ) = 2 2 สําหรับ n = 1 ; 3 0 3 0 3 4 π2 สําหรับ n = 2 ; I 2 = ∫ sin 3 x dx 5 0 = ∫ (1 − cos 2 x )sin x dx = − ∫ (1 − cos 2 x ) d (cos x ) 4 π2 4 π2 5 0 5 0 π 2 4⎛ cos 3 x ⎞ = − ⎜ cos x − ⎟ 5⎜ ⎝ 3 ⎟ x =0 ⎠ 4 ⎛ 1 ⎞ ⎛ 4 ⎞⎛ 2 ⎞ = ⎜1 − ⎟ = ⎜ ⎟⎜ ⎟ 5 ⎝ 3 ⎠ ⎝ 5 ⎠⎝ 3 ⎠ 6 π2 สําหรับ n = 3 ; I 3 = ∫ sin 5 x dx 7 0 = ∫ (1 − cos 2 x ) sin x dx 6 π2 2 7 0 6 π2 ( = − ∫ 1 − 2 cos 2 x + cos 4 x d (cos x ) 7 0 ) π 2 6⎛ 2 1 ⎞ = − ⎜ cos x − cos 3 x + cos 5 x ⎟ 7⎝ 3 5 ⎠ x =0 ⎛ 6 ⎞⎛ 8 ⎞ ⎛ 6 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 2 ⎞ = ⎜ − ⎟⎜ − ⎟ = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ 7 ⎠⎝ 15 ⎠ ⎝ 7 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 3 ⎠
  • 4. โดยสังเกตความสัมพันธขางตน จะพบวา ⎛ 2n ⎞ ⎛ 6 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 2 ⎞ สําหรับ n = n ; In = ⎜ ⎟ L ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ 2n + 1 ⎠ ⎝ 7 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 3 ⎠ ดังนั้น π 2 ⎛ 2 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 6 ⎞ ⎛ 2n ⎞ n ⎛ 2i ⎞ I 2 n +1 = ∫ sin 2 n +1 x dx = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ L ⎜ ⎟ = ∏⎜ ⎟ 0 ⎝ 3 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 7 ⎠ ⎝ 2n + 1 ⎠ i =1 ⎝ 2i + 1 ⎠ 3. กรณีที่ p = 2n + 2 จากสูตรลดทอนเรามี I 2 n + 2 = ∫ sin 2 n + 2 x dx π 2 ⎛ sin 2 n +1 x ⋅ cos x ⎞ 2n + 1 π 2 2 n = −⎜ ⎜ ⎝ 2n + 2 ⎟ ⎟ + ∫ sin x dx ⎠ x = 0 2n + 2 0 2n + 1 π 2 2 n (3) 2n + 2 ∫0 = sin x dx รูปแบบทั่วไปของปริพันธในสมการ (3) ใหเราสังเกตวา เมื่อแทนคา n = 1 จะได I 1 ในกรณีนี้มีคา เทากับ I2 ในกรณีที่ p = 2n 3 π2 2 ⎛ 3 ⎞⎛ 1 ⎞⎛ π ⎞ สําหรับ n = 1 ; I1 = ∫0 sin x dx =⎜ 4 ⎟⎜ 2 ⎟⎜ 2 ⎟ {เทากับ I 2 ในกรณีที่ p = 2n } 4 ⎝ ⎠⎝ ⎠⎝ ⎠ 5 π2 ⎛ 5 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 1 ⎞⎛ π ⎞ สําหรับ n = 2 ; I 3 = ∫ sin 4 x dx =⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ {เทากับ I 3 ในกรณีที่ p = 2n } 6 0 ⎝ 6 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠ 7 π2 ⎛ 7 ⎞⎛ 5 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 1 ⎞⎛ π ⎞ สําหรับ n = 3 ; I 3 = ∫ sin 6 x dx = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ {เทากับ I 4 ในกรณีที่ p = 2n } 8 0 ⎝ 8 ⎠⎝ 6 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠ ⎛ π ⎞⎛ 1 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞⎛ 7 ⎞ ⎛ 2n + 1 ⎞ สําหรับ n = n ; I n = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ L ⎜ ⎜ ⎟ ⎟ {เทากับ I n+1 ในกรณีที่ p = 2n } ⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠⎝ 8 ⎠ ⎝ 2(n + 1) ⎠ ดังนั้น π 2 ⎛ π ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞ ⎛ 2n − 1 ⎞ π n ⎛ 2i + 1 ⎞ I 2n+2 = ∫ sin 2 n + 2 x dx = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ L⎜ ⎟ = ∏⎜⎜ ⎟ ⎟ 0 ⎝ 4 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠ ⎝ 2n ⎠ 4 i =1 ⎝ 2(i + 1) ⎠ เราสรุปคาปริพันธจํากัดเขต ของฟงกชั่น sin p x ในกรณีตางๆ ไดดังนี้ ⎧ ⎛ π ⎞⎛ 1 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞ ⎛ 2n − 1 ⎞ ⎪ I 2n = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ L ⎜ ⎟ if p = 2n ⎪ ⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠ ⎝ 2n ⎠ π ⎪ ⎛ π ⎞⎛ 2 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 6 ⎞ ⎛ 2n ⎞ ∫ 2 sin p x dx = ⎨ I 2 n +1 = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ L ⎜ ⎟ if p = 2n + 1 0 ⎪ ⎝ 2 ⎠⎝ 3 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 7 ⎠ ⎝ 2n + 1 ⎠ ⎪ ⎛ π ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞⎛ 7 ⎞ ⎛ 2n − 1 ⎞ ⎪ I 2n+2 = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ L ⎜ ⎟ if p = 2n + 2 ⎩ ⎝ 4 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠⎝ 8 ⎠ ⎝ 2n ⎠
  • 5. ในการเปรียบเทียบคาปริพันธที่อยูในรูปผลคูณอนันต สามารถทําไดโดยอาศัยสมบัติการเปรียบเทียบ (comparison property) ดังทฤษฎีบท 1 และ 2 ตอไปนี้ (โดยไมกลาวถึงการพิสูจน) ทฤษฎี บ ท 1 ให f เป น ฟ ง ก ชั่ น ที่ ส ามารถหาปริ พั น ธ ไ ด บ นช ว ง [a, b] และ f (x ) ≥ 0 สํ า หรั บ ทุ ก ค า x ∈ [a, b] แลว ∫ f ( x ) dx ≥ 0 □ b a ทฤษฎีบท 2 ถา f และ g เปนฟงกชั่นที่สามารถหาปริพันธไดบนชวง [a, b] และ f (x ) ≤ g (x ) สําหรับทุก คา x ∈ [a, b] แลว ∫a f (x ) dx ≤ ∫a g (x ) dx □ b b ในทฤษฎีบท 2 ทําใหเราสามารถเปรียบเทียบคาปริพันธทั้งสามที่อยูในรูปผลคูณอนันตได โดยการพิจารณาที่ ตั ว ถู ก ปริ พั น ธ (integrand) เนื่ อ งจากฟ ง ก ชั่ น ตรี โ กณมิ ติ sin x เป น ฟ ง ก ชั่ น ลดบนโดเมน [0, π2 ] และ 2n ≤ 2n + 1 ≤ 2n + 2 สําหรับทุกจํานวนเต็มบวก n ดังนั้น sin 2 n x ≥ sin 2 n +1 x ≥ sin 2 n + 2 x จากสมบัติการเปรียบเทียบในทฤษฎีบท 2 จึงสรุปไดวา I 2 n ≥ I 2 n +1 ≥ I 2 n + 2 π 2 เนื่องจากในควอดรันตที่หนึ่ง sin 2 n x > 0 โดยทฤษฎีบท 1 จะไดวา I 2n = ∫0 sin 2 n x dx > 0 เมื่อนํามาหาร ตลอดอสมการ จึงไมเปลี่ยนแปลงเครื่องหมาย นั่นคือ I 2 n +1 I 2 n + 2 1≥ ≥ (4) I 2n I 2n เราสามารถเปรียบเทียบผลลัพธของปริพันธในสมการ (4) สําหรับทุกจํานวนเต็มบวก n ใดๆ โดย กําหนดให n → ∞ และอาศัยทฤษฎีบท 3 ตอไปนี้ ทฤษฎีบท 3 ( Sandwich theorem for sequences ) พิจารณาลําดับของจํานวนจริงซึ่ง an ≤ bn ≤ cn โดยที่ n เปนจํานวนเต็มบวกใดๆ ถา lim a n = lim c n = L แลว lim bn = L n →∞ n→∞ n→∞
  • 6. พจนดานขวา ของอสมการ (4) อยูในรูป n ⎛ 2i + 1 ⎞ π 4 ∏ ⎜ 2(i + 1) ⎟ ⎜ ⎟ I 2n+ 2 = ⎝ i =1 ⎠ I 2n ⎛ 2i − 1 ⎞ n 2 ∏⎜ π ⎟ i =1 ⎝ 2i ⎠ ⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞⎛ 7 ⎞ ⎛ 2n − 1 ⎞⎛ 2n + 1 ⎞ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ K⎜ ⎟⎜ ⎟ 1 ⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠⎝ 8 ⎠ ⎝ 2n ⎠⎝ 2n + 2 ⎠ = ⋅ 2 ⎛ 1 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞⎛ 7 ⎞ ⎛ 2n − 1 ⎞ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ K ⎜ ⎟ ⎝ 2 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠⎝ 8 ⎠ ⎝ 2n ⎠ จะเห็นวาในเศษสวนซอนนัน มีตัวเศษและตัวสวนตัดกันเปนคูๆ จะได ้ I 2 n + 2 2n + 1 = I 2n 2n + 2 เมื่อพิจารณาเปนผลคูณอนันต ทําโดยกําหนดใหเปนคาลิมิต เมื่อ n → ∞ จะได 1 2+ I 2n+2 n =1 lim = lim n→∞ I 2n n →∞ 1 2+ n ดังนั้น I 2n+2 lim =1 n→∞ I 2n I 2n+2 พจนกลาง จาก Sandwich Theorem (ทฤษฎีบท 3) โดยพิจารณา lim n →∞ = 1 และ lim 1 = 1 n→∞ จึงสรุปไดวา I 2n I 2 n +1 lim n →∞ I =1 (5) 2n n ⎛ 2i ⎞ ⎛ 2 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 6 ⎞⎛ 8 ⎞ ⎛ 2n ⎞ I 2 n +1 ∏ ⎜ 2i + 1 ⎟ ⎝ ⎠ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ K⎜ ⎟ ⎝ 3 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 7 ⎠⎝ 9 ⎠ ⎝ 2n + 1 ⎠ พิจารณา = ni =1 = I 2n ⎛ 2i − 1 ⎞ ⎛ π ⎞⎛ 1 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞⎛ 7 ⎞ ⎛ 2n − 1 ⎞ 2 ∏⎜ π ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ K⎜ ⎟ i =1 ⎝ 2i ⎠ ⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠⎝ 4 ⎠⎝ 6 ⎠⎝ 8 ⎠ ⎝ 2n ⎠ ⎡ ⎛ 2 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 6 ⎞⎛ 8 ⎞ ⎛ 2n ⎞ ⎤ ⎢ 2 ⎜ 3 ⎟⎜ 5 ⎟⎜ 7 ⎟⎜ 9 ⎟ K ⎜ 2n + 1 ⎟ ⎥ = lim ⎢ ⋅ ⎝ ⎠⎝ ⎠⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎥ I 2 n +1 จะได lim n →∞ ⎢ π ⎛ 1 ⎞⎛ 3 ⎞⎛ 5 ⎞⎛ 7 ⎞ n→∞ I 2n ⎛ 2n − 1 ⎞ ⎥ ⎢ ⎜ 2 ⎟⎜ 4 ⎟⎜ 6 ⎟⎜ 8 ⎟ K ⎜ 2n ⎟ ⎥ ⎣ ⎝ ⎠⎝ ⎠⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎦
  • 7. ⎡ 2 ⎛ 2 ⎞⎛ 2 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 6 ⎞⎛ 6 ⎞⎛ 8 ⎞ ⎛ 2n ⎞⎛ 2n ⎞⎤ = lim ⎢ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ K⎜ ⎟⎜ ⎟⎥ n →∞ π ⎣ ⎝ 1 ⎠⎝ 3 ⎠⎝ 3 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 7 ⎠⎝ 7 ⎠ ⎝ 2n − 1 ⎠⎝ 2n + 1 ⎠⎦ 2 ⎛ 2 ⎞⎛ 2 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 4 ⎞⎛ 6 ⎞⎛ 6 ⎞ 1= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ K (จากสมการ (5)) π ⎝ 1 ⎠⎝ 3 ⎠⎝ 3 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 5 ⎠⎝ 7 ⎠ ดังนั้น π 2 2 4 4 6 6 = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ K 2 1 3 3 5 5 7 ในบทความนี้ เราไดนําความรูแคลคูลัสเชิงปริพันธ และฟงกชนตรีโกณมิติไซน มาประยุกตใชในการ ั่ พิสูจนผลคูณของวอลลิซ ซึ่งทําใหเราสามารถหาคาพายทีอยูในรูปผลคูณอนันตได นอกจากนั้น เรายังสามารถ ่ พิสูจนผลคูณของวอลลิซดวยวิธีการอื่นไดอก โดยผูเขียนจะนํามาเสนอในโอกาสตอไป ี หมายเหตุ บทความนี้ผูเขียนตั้งใจทีจะนําเอาคําวา “ ปริพันธ ” มาใชแทนคําเดิมคือ “ อินทิเกรต ” ที่มีใชกันอยู ่ กอนซึ่งเปนทับศัพทมาจากภาษาอังกฤษ คือ integrate และคําวา “ ตัวถูกปริพันธ ” ในความหมายเดิมคือ ตัวถูก อินทิเกรต (integrand) โดยตองการใหเกิดความคุนเคย และมีการนําคําดังกลาวไปใชกันมากขึ้น เอกสารอางอิง 1. James Stewart, Single Variable Calculus: Early Transcendentals (6th edition), Thomson Brooks/Cole, USA, 2008. 2. ภาพนํามาจาก www.wikipedia free encyclopedia.org ขอมูลผูเขียน : นายอิทธิเดช มูลมั่งมี นักศึกษาปริญญาโท ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกลาธนบุรี ชื่อบัญชี นายอิทธิเดช มูลมั่งมี เลขที่บัญชี 029-0-06107-5 ประเภทออมทรัพย ธนาคารกรุงไทย สาขา ถนนสุขสวัสดิ์ ที่อยู 53/463 หมูบานสามัคคี (นวมินทร 105) ถนนนวมินทร ตําบลคลองกุม  เขตบึงกุม กทม. 10240 เบอรโทรศัพท 08-6579-4040 หรือ 02-5108103