算术-几何平均数

✍ dations ◷ 2025-08-26 16:12:39 #平均数,特殊函数,椭圆函数

两个正实数和的算术-几何平均数定义如下:

首先计算的算术平均数,称其为1。然后计算的几何平均数,称其为1;这是的算术平方根。

然后重复这个步骤,这样便得到了两个数列()和():

这两个数列收敛于相同的数,这个数称为和的算术-几何平均数,记为M(, ),或agm(, )。

欲计算0 = 24和0 = 6的算术-几何平均数,首先算出它们的算术平均数和几何平均数:

然后进行迭代:

继续计算,可得出以下的值:

24和6的算术-几何平均数是两个数列的公共极限,大约为13.45817148173。

M(, )是一个介于和的算术平均数和几何平均数之间的数。

如果 > 0,则M(, ) = M(, )。

M(,)还可以写为如下形式:

其中()是第一类完全椭圆积分。

1和 2 {\displaystyle {\sqrt {2}}} 的算术-几何平均数的倒数,称为高斯常数。

由算术几何不等式可得

因此

这意味着 { g n } {\displaystyle \{g_{n}\}} 是不降序列。同时,因为两个数的几何平均数是总是介于两个数之间,又可以得到该序列是有上界的( x , y {\displaystyle x,y} 中的较大者)。根据单调收敛定理,存在 g {\displaystyle g} 使得:

然而,我们又有:

从而:

证毕。

该证明由高斯首次提出。令

将积分变量替换为 θ {\displaystyle \theta '} , 其中

于是可得

因此,我们有

最后一个等式可由 I ( z , z ) = π / ( 2 z ) {\displaystyle I(z,z)=\pi /(2z)} 推出。

于是我们便可得到算术几何平均数的积分表达式:

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