円周率を含む数式

円周率を含む数式（えんしゅうりつをふくむすうしき）を分野別にまとめる。数式自体または円周率、円周率の近似のいずれかの記事において重要性が確立されているものだけを述べる。

ユークリッド幾何学

円の外周（円周） テンプレート:Mvar と直径 テンプレート:Mvar の関係

$C=\pi d$

円の面積 テンプレート:Mvar と半径 テンプレート:Mvar の関係

$A=\pi r^2$

球の体積 テンプレート:Mvar と半径 テンプレート:Mvar の関係

$V=\frac{4}{3}\pi r^3$

球の表面積 テンプレート:Mvar と半径 テンプレート:Mvar の関係

$S=4\pi r^2$

物理学

宇宙定数

$\mathrm{\Lambda }=\frac{8\pi G}{3c^2}\rho$

ハイゼンベルクの不確定性原理

$\mathrm{\Delta }x\mathrm{\Delta }p\ge \frac{h}{4\pi }$

一般相対性理論のアインシュタイン方程式

$R_{\mu \nu }-\frac{1}{2}{g}_{\mu \nu }R+\mathrm{\Lambda }{g}_{\mu \nu }=\frac{8\pi G}{c^4}{T}_{\mu \nu }$

クーロンの法則

$F=\frac{|q_1{q}_2|}{4\pi {\epsilon }_0{r}^2}$

振幅が小さい範囲での振り子の周期

$T\approx 2\pi \sqrt{\frac{L}{g}}$

座屈のオイラーの式

$F=\frac{{\pi }^{2}EI}{L^2}$

円周率を得るための数式

積分

$\underset{-\mathrm{\infty }}{\overset{\mathrm{\infty }}{\int }}\mathrm{sech}(x)dx=\pi$

$\underset{-\mathrm{\infty }}{\overset{\mathrm{\infty }}{\int }}\underset{t}{\overset{\mathrm{\infty }}{\int }}{e}^{-1/2t^2-x^2+xt}dxdt=\underset{-\mathrm{\infty }}{\overset{\mathrm{\infty }}{\int }}\underset{t}{\overset{\mathrm{\infty }}{\int }}{e}^{-t^2-1/2x^2+xt}dxdt=\pi$

$\underset{-1}{\overset{1}{\int }}\sqrt{1-x^2}dx=\frac{\pi }{2}$

$\underset{0}{\overset{1}{\int }}\frac{1}{1+x^2}dx=\frac{\pi }{4}$

$\underset{-1}{\overset{1}{\int }}\frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}=\pi$

$\underset{-\mathrm{\infty }}{\overset{\mathrm{\infty }}{\int }}\frac{dx}{1+x^2}=\pi$ （逆正接関数）

$\underset{-\mathrm{\infty }}{\overset{\mathrm{\infty }}{\int }}{e}^{-x^2}dx=\sqrt{\pi }$  （ガウス積分）

$\oint \frac{dz}{z}=2\pi i$ （コーシーの積分定理）

$\underset{-\mathrm{\infty }}{\overset{\mathrm{\infty }}{\int }}\frac{\sin x}{x}dx=\pi$

$\underset{0}{\overset{1}{\int }}\frac{x^4(1-x{)}^4}{1+x^2}dx=\frac{22}{7}-\pi$ （円周率が22/7より小さいことの証明）

効率的な級数

$\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{k!}{(2k+1)!!}=\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{2^{k}k{!}^2}{(2k+1)!}=\frac{\pi }{2}$

$12\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(-1{)}^k(6k)!(13591409+545140134k)}{(3k)!(k!{)}^{3}640320^{3k+3/2}}=\frac{1}{\pi }$ （Chudnovsky algorithm）

$\frac{2\sqrt{2}}{9801}\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(4k)!(1103+26390k)}{(k!{)}^{4}396^{4k}}=\frac{1}{\pi }$ （シュリニヴァーサ・ラマヌジャン）

$\frac{12}{\sqrt{(1249638720+159999840\sqrt{61}{)}^3}}\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(-1{)}^n(6n)!(1657145277365+212175710912\sqrt{61}+(107578229802750+3773980892672\sqrt{61})n)}{(3n)!(n!{)}^3(1249638720+159999840\sqrt{61}{)}^n}=\frac{1}{\pi }$(Borwein)

$\frac{\sqrt{3}}{6^5}\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{((4k)!{)}^2(6k)!}{9^{k+1}(12k)!(2k)!}(\frac{127169}{12k+1}-\frac{1070}{12k+5}-\frac{131}{12k+7}+\frac{2}{12k+11})=\pi$

以下は、円周率の任意の桁を2進数で求められる効率的な数式である。

$\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{1}{16^k}(\frac{4}{8k+1}-\frac{2}{8k+4}-\frac{1}{8k+5}-\frac{1}{8k+6})=\pi$ （ベイリー＝ボールウェイン＝プラウフの公式）

$\frac{1}{2^6}\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{{(-1)}^n}{2^{10n}}(-\frac{2^5}{4n+1}-\frac{1}{4n+3}+\frac{2^8}{10n+1}-\frac{2^6}{10n+3}-\frac{2^2}{10n+5}-\frac{2^2}{10n+7}+\frac{1}{10n+9})=\pi$

他の級数

$\zeta (2)=\frac{1}{1^2}+\frac{1}{2^2}+\frac{1}{3^2}+\frac{1}{4^2}+\cdots =\frac{{\pi }^2}{6}$ （バーゼルの問題、リーマンゼータ関数）

$\zeta (4)=\frac{1}{1^4}+\frac{1}{2^4}+\frac{1}{3^4}+\frac{1}{4^4}+\cdots =\frac{{\pi }^4}{90}$

$\zeta (2n)=\sum _{k=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{1}{k^{2n}}=\frac{1}{1^{2n}}+\frac{1}{2^{2n}}+\frac{1}{3^{2n}}+\frac{1}{4^{2n}}+\cdots =(-1{)}^{n+1}\frac{B_{2n}(2\pi {)}^{2n}}{2(2n)!}$ , ただし B_2n は ベルヌーイ数）

$\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{3^n-1}{4^n}\zeta (n+1)=\pi$

$\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{\left(\frac{(-1{)}^n}{2n+1}\right)}^1=\frac{1}{1}-\frac{1}{3}+\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\frac{1}{9}-\cdots =\arctan 1=\frac{\pi }{4}$ （ライプニッツ公式）

$\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{(-1{)}^{n+1}}{n^2}=\frac{1}{1^2}-\frac{1}{2^2}+\frac{1}{3^2}-\frac{1}{4^2}+\cdots =\frac{{\pi }^2}{12}$

$\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{1}{(2n{)}^2}=\frac{1}{2^2}+\frac{1}{4^2}+\frac{1}{6^2}+\frac{1}{8^2}+\cdots =\frac{{\pi }^2}{24}$

$\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{\left(\frac{(-1{)}^n}{2n+1}\right)}^2=\frac{1}{1^2}+\frac{1}{3^2}+\frac{1}{5^2}+\frac{1}{7^2}+\cdots =\frac{{\pi }^2}{8}$

$\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{\left(\frac{(-1{)}^n}{2n+1}\right)}^3=\frac{1}{1^3}-\frac{1}{3^3}+\frac{1}{5^3}-\frac{1}{7^3}+\cdots =\frac{{\pi }^3}{32}$

$\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{\left(\frac{(-1{)}^n}{2n+1}\right)}^4=\frac{1}{1^4}+\frac{1}{3^4}+\frac{1}{5^4}+\frac{1}{7^4}+\cdots =\frac{{\pi }^4}{96}$

$\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{\left(\frac{(-1{)}^n}{2n+1}\right)}^5=\frac{1}{1^5}-\frac{1}{3^5}+\frac{1}{5^5}-\frac{1}{7^5}+\cdots =\frac{5{\pi }^5}{1536}$

$\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{\left(\frac{(-1{)}^n}{2n+1}\right)}^6=\frac{1}{1^6}+\frac{1}{3^6}+\frac{1}{5^6}+\frac{1}{7^6}+\cdots =\frac{{\pi }^6}{960}$

$\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{1}{(4n+1)(4n+3)}=\frac{1}{1\cdot 3}+\frac{1}{5\cdot 7}+\frac{1}{9\cdot 11}+\cdots =\frac{\pi }{8}$

$\pi =1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}-\frac{1}{5}+\frac{1}{6}+\frac{1}{7}+\frac{1}{8}+\frac{1}{9}-\frac{1}{10}+\frac{1}{11}+\frac{1}{12}-\frac{1}{13}+\cdots$   （オイラー、1748年）

この式では、最初の2つの項の後、符号は次のように決定される。分母が4m - 1で表される素数である場合、符号は正であり。分母が4m + 1で表される素数である場合、符号は負である。 合成数の場合、符号はその素因数分解した素数の符号の積に等しい。

また

$\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{F_{2n}}{n^2(\genfrac{}{}{0ex}{}{2n}{n})}=\frac{4{\pi }^2}{25\sqrt{5}}$

ただし $F_n$ はn番目のフィボナッチ数。

マチンの公式

$\frac{\pi }{4}=\arctan 1$

$\frac{\pi }{4}=\arctan \frac{1}{2}+\arctan \frac{1}{3}$

$\frac{\pi }{4}=2\arctan \frac{1}{2}-\arctan \frac{1}{7}$

$\frac{\pi }{4}=2\arctan \frac{1}{3}+\arctan \frac{1}{7}$

$\frac{\pi }{4}=4\arctan \frac{1}{5}-\arctan \frac{1}{239}$ （マチンの公式）

$\frac{\pi }{4}=5\arctan \frac{1}{7}+2\arctan \frac{3}{79}$

$\frac{\pi }{4}=6\arctan \frac{1}{8}+2\arctan \frac{1}{57}+\arctan \frac{1}{239}$

$\frac{\pi }{4}=12\arctan \frac{1}{49}+32\arctan \frac{1}{57}-5\arctan \frac{1}{239}+12\arctan \frac{1}{110443}$

$\frac{\pi }{4}=44\arctan \frac{1}{57}+7\arctan \frac{1}{239}-12\arctan \frac{1}{682}+24\arctan \frac{1}{12943}$

$\frac{\pi }{2}=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\arctan \frac{1}{F_{2n+1}}=\arctan \frac{1}{1}+\arctan \frac{1}{2}+\arctan \frac{1}{5}+\arctan \frac{1}{13}+\cdots$

ただし $F_n$ はn番目のフィボナッチ数。

級数

円周率を含む級数

$\pi =\frac{1}{Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{((2n)!{)}^3(42n+5)}{(n!{)}^6{16}^{3n+1}}$
$\pi =\frac{4}{Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(-1{)}^n(4n)!(21460n+1123)}{(n!{)}^4{441}^{2n+1}{2}^{10n+1}}$
$\pi =\frac{4}{Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(6n+1){\left(\frac{1}{2}\right)}_n^3}{4^n(n!{)}^3}$
$\pi =\frac{32}{Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{\left(\frac{\sqrt{5}-1}{2}\right)}^{8n}\frac{(42n\sqrt{5}+30n+5\sqrt{5}-1){\left(\frac{1}{2}\right)}_n^3}{64^n(n!{)}^3}$
$\pi =\frac{27}{4Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{\left(\frac{2}{27}\right)}^n\frac{(15n+2){\left(\frac{1}{2}\right)}_n{\left(\frac{1}{3}\right)}_n{\left(\frac{2}{3}\right)}_n}{(n!{)}^3}$
$\pi =\frac{15\sqrt{3}}{2Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{\left(\frac{4}{125}\right)}^n\frac{(33n+4){\left(\frac{1}{2}\right)}_n{\left(\frac{1}{3}\right)}_n{\left(\frac{2}{3}\right)}_n}{(n!{)}^3}$
$\pi =\frac{85\sqrt{85}}{18\sqrt{3}Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{\left(\frac{4}{85}\right)}^n\frac{(133n+8){\left(\frac{1}{2}\right)}_n{\left(\frac{1}{6}\right)}_n{\left(\frac{5}{6}\right)}_n}{(n!{)}^3}$
$\pi =\frac{5\sqrt{5}}{2\sqrt{3}Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{\left(\frac{4}{125}\right)}^n\frac{(11n+1){\left(\frac{1}{2}\right)}_n{\left(\frac{1}{6}\right)}_n{\left(\frac{5}{6}\right)}_n}{(n!{)}^3}$
$\pi =\frac{2\sqrt{3}}{Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(8n+1){\left(\frac{1}{2}\right)}_n{\left(\frac{1}{4}\right)}_n{\left(\frac{3}{4}\right)}_n}{(n!{)}^3{9}^n}$
$\pi =\frac{\sqrt{3}}{9Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(40n+3){\left(\frac{1}{2}\right)}_n{\left(\frac{1}{4}\right)}_n{\left(\frac{3}{4}\right)}_n}{(n!{)}^3{49}^{2n+1}}$
$\pi =\frac{2\sqrt{11}}{11Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(280n+19){\left(\frac{1}{2}\right)}_n{\left(\frac{1}{4}\right)}_n{\left(\frac{3}{4}\right)}_n}{(n!{)}^3{99}^{2n+1}}$
$\pi =\frac{\sqrt{2}}{4Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(10n+1){\left(\frac{1}{2}\right)}_n{\left(\frac{1}{4}\right)}_n{\left(\frac{3}{4}\right)}_n}{(n!{)}^3{9}^{2n+1}}$
$\pi =\frac{4\sqrt{5}}{5Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(644n+41){\left(\frac{1}{2}\right)}_n{\left(\frac{1}{4}\right)}_n{\left(\frac{3}{4}\right)}_n}{(n!{)}^3{5}^n{72}^{2n+1}}$
$\pi =\frac{4\sqrt{3}}{3Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(-1{)}^n(28n+3){\left(\frac{1}{2}\right)}_n{\left(\frac{1}{4}\right)}_n{\left(\frac{3}{4}\right)}_n}{(n!{)}^3{3}^n{4}^{n+1}}$
$\pi =\frac{4}{Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(-1{)}^n(20n+3){\left(\frac{1}{2}\right)}_n{\left(\frac{1}{4}\right)}_n{\left(\frac{3}{4}\right)}_n}{(n!{)}^3{2}^{2n+1}}$
$\pi =\frac{72}{Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(-1{)}^n(4n)!(260n+23)}{(n!{)}^4{4}^{4n}18^{2n}}$
$\pi =\frac{3528}{Z}$	$Z=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(-1{)}^n(4n)!(21460n+1123)}{(n!{)}^4{4}^{4n}882^{2n}}$

$(x{)}_n$ は階乗冪。 テンプレート:See also

無限積

$\frac{\pi }{4}=\frac{3}{4}\cdot \frac{5}{4}\cdot \frac{7}{8}\cdot \frac{11}{12}\cdot \frac{13}{12}\cdot \frac{17}{16}\cdot \frac{19}{20}\cdot \frac{23}{24}\cdot \frac{29}{28}\cdot \frac{31}{32}\cdot \cdots$ (オイラー）

全ての奇素数を分子とし、それに最も近い4の倍数を分母とした分数の総乗。

$\prod _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{4n^2}{4n^2-1}=\frac{2}{1}\cdot \frac{2}{3}\cdot \frac{4}{3}\cdot \frac{4}{5}\cdot \frac{6}{5}\cdot \frac{6}{7}\cdot \frac{8}{7}\cdot \frac{8}{9}\cdots =\frac{4}{3}\cdot \frac{16}{15}\cdot \frac{36}{35}\cdot \frac{64}{63}\cdot \cdots =\frac{\pi }{2}$ （ウォリス積を参照）

$\prod _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\cos \frac{90^{\circ }}{2^n}=\frac{\sqrt{2}}{2}\cdot \frac{\sqrt{2+\sqrt{2}}}{2}\cdot \frac{\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt{2}}}}{2}\cdot \cdots =\frac{2}{\pi }$ （ビエトの公式）

連分数

$\pi =3+\frac{1^2}{6+\frac{3^2}{6+\frac{5^2}{6+\frac{7^2}{6+\ddots }}}}$

$\pi =\frac{4}{1+\frac{1^2}{3+\frac{2^2}{5+\frac{3^2}{7+\frac{4^2}{9+\ddots }}}}}$

$\pi =\frac{4}{1+\frac{1^2}{2+\frac{3^2}{2+\frac{5^2}{2+\frac{7^2}{2+\ddots }}}}}$

$2\pi =6+\frac{2^2}{12+\frac{6^2}{12+\frac{10^2}{12+\frac{14^2}{12+\frac{18^2}{12+\ddots }}}}}$

その他

$n!\sim \sqrt{2\pi n}{\left(\frac{n}{e}\right)}^n$ （スターリングの近似）

$e^{i\pi }+1=0$ （オイラーの等式）

$\sum _{k=1}^n\phi (k)\sim \frac{3n^2}{{\pi }^2}$ （オイラーのトーティエント関数）

$\sum _{k=1}^n\frac{\phi (k)}{k}\sim \frac{6n}{{\pi }^2}$ （オイラーのトーティエント関数）

$\mathrm{\Gamma }\left(\frac{1}{2}\right)=\sqrt{\pi }$ （ガンマ関数）

$\pi =\frac{\mathrm{\Gamma }{\left(1/4\right)}^{4/3}\mathrm{agm}(1,\sqrt{2}{)}^{2/3}}{2}$ （agmは算術幾何平均）

$\underset{n\to \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{1}{n^2}\sum _{k=1}^n(nmodk)=1-\frac{{\pi }^2}{12}$ （mod は剰余演算）

$\pi =\underset{n\to \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{4}{n^2}\sum _{k=1}^n\sqrt{n^2-k^2}$ （単位円の面積とリーマン和を参照）

$\pi =\underset{n\to \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{2^{4n}}{n{(\genfrac{}{}{0ex}{}{2n}{n})}^2}$ （スターリングの近似）

関連文献

• Peter Borwein, The Amazing Number Pi
• Kazuya Kato, Nobushige Kurokawa, Saito Takeshi: Number Theory 1: Fermat's Dream. American Mathematical Society, Providence 1993, テンプレート:ISBN2.