ライプニッツ級数

以下の文章はライプニッツの公式の要約分を含む

ライプニッツ級数（ライプニッツきゅうすう、）は、円周率 π を求めるための無限級数の一つであり、17世紀にゴットフリート・ライプニッツによって示された。次の交代級数として表される。

概要

ライプニッツ級数は、円周率を求める最も単純な数式の一つとして知られている。構造が単純であるため、数学教育やプログラミングの例題として広く用いられる。

一方で、収束速度が非常に遅く、高精度な円周率を求めるには膨大な項数が必要となる。そのため、実用的な数値計算では他のアルゴリズムが用いられることが多い。数学的背景ライプニッツ級数は、逆正接関数

において x=1 を代入することで得られる。

この関係から、ライプニッツ級数が円周率と結び付けられる。収束性と精度

ライプニッツ級数は交代級数であり、条件付き収束することが知られている。ただし、誤差はおおよそ次の項の大きさに比例するため、100万項を計算しても正確な桁数は数桁程度にとどまる。

このため、実際の円周率計算では以下のような方法が用いられることが多い。

・ガウス＝ルジャンドルのアルゴリズム

・マチンの公式

・チュドノフスキー級数プログラミングにおける利用例

ライプニッツ級数は、ループ処理や浮動小数点演算の例として、さまざまなプログラミング言語で実装されている。

C++ #include <iostream> #include <cmath> using namespace std; int main(){ int a=0; long double x=0.0; cin >> a; for(int n=0;n<=a;n++){ x+=pow(-1,n)/(2*n+1);

cout << 4*x << endl; return 0; }

C #include <stdio.h> #include <math.h> int main() { int a; long double x = 0.0; scanf("%d", &a); for (int n = 0; n <= a; n++) { x += pow(-1, n) / (2 * n + 1);

printf("%.15Lf\n", 4 * x); return 0; }

C# using System; class Program { static void Main() { int a = int.Parse(Console.ReadLine()); double x = 0.0; for (int n = 0; n <= a; n++) { x += Math.Pow(-1, n) / (2.0 * n + 1);

Console.WriteLine(4 * x);

Python a = int(input()) x = 0.0 for n in range(a + 1): x += (-1) ** n / (2 * n + 1) print(4 * x)

Java import java.util.Scanner; public class Main { public static void main(String[] args) { Scanner sc = new Scanner(System.in); int a = sc.nextInt(); double x = 0.0; for (int n = 0; n <= a; n++) { x += Math.pow(-1, n) / (2.0 * n + 1);

System.out.println(4 * x);

JavaScript(Node.js) const fs = require("fs"); const a = parseInt(fs.readFileSync(0, "utf8").trim()); let x = 0; for (let n = 0; n <= a; n++) { x += Math.pow(-1, n) / (2 * n + 1); } console.log(4 * x);

Rust use std::io; fn main() { let mut input = String::new(); io::stdin().read_line(&mut input).unwrap(); let a: i32 = input.trim().parse().unwrap(); let mut x: f64 = 0.0; for n in 0..=a { x += (-1.0_f64).powi(n) / (2.0 * n as f64 + 1.0);

println!("{}", 4.0 * x); }

Go package main import ( "fmt" "math" ) func main() { var a int fmt.Scan(&a) var x float64 = 0.0 for n := 0; n <= a; n++ { x += math.Pow(-1, float64(n)) / (float64(2*n) + 1)

fmt.Println(4 * x) }

Ruby a = gets.to_i x = 0.0 (0..a).each do |n| x += (-1.0)**n / (2*n + 1) end puts 4 * x

Swift import Foundation if let line = readLine(), let a = Int(line) { var x = 0.0 for n in 0...a { x += pow(-1.0, Double(n)) / (2.0 * Double(n) + 1.0)

print(4 * x) }

Kotlin fun main() { val a = readLine()!!.toInt() var x = 0.0 for (n in 0..a) { x += Math.pow(-1.0, n.toDouble()) / (2.0 * n + 1)

println(4 * x) }

Haskell main = do a <- readLn :: IO Int let x = sum [(-1)^^n / fromIntegral (2*n + 1) | n <- [0..a]] print (4 * x)

Lisp (defun calculate-pi (a) (let ((x 0.0)) (loop for n from 0 to a do (setq x (+ x (/ (expt -1 n) (+ (* 2 n) 1))))) (* 4 x)))

(let ((a (parse-integer (read-line)))) (format t "~f~%" (calculate-pi a)))

文言吾有一数者名为a。吾有一数者名为x。吾有一数者名为n。请输吾a。吾x为零。吾n为零。若n小于等于a，则：吾x为吾x 加 (-1) 的 n 次方除以 (二乘n 加一)。吾n为吾n 加一。是故。吾x为四乘吾x。请输吾x。

Fortran program pi implicit none integer :: a, n real(8) :: x read *, a x = 0.0d0 do n = 0, a x = x + (-1.0d0) ** n / (2.0d0 * real(n) + 1.0d0) end do print *, 4.0d0 * x end program pi

Pascal program pi; uses SysUtils, Math; var a, n: Integer; x: Extended; begin x := 0.0; ReadLn(a); for n := 0 to a do begin x := x + Power(-1, n) / (2*n + 1); end; WriteLn(4 * x:0:15); end.

Julia a = parse(Int, readline()) x = 0.0 for n in 0:a x += (-1.0)^n / (2 * n + 1) end println(4 * x)

PHP <?php $a = intval(trim(fgets(STDIN))); $x = 0.0; for ($n = 0; $n <= $a; $n++) { $x += pow(-1, $n) / (2 * $n + 1); } echo 4 * $x . PHP_EOL; ?>

Perl use strict; use warnings; my $a = <STDIN>; chomp $a; my $x = 0.0; for my $n (0..$a) { $x += (-1.0)**$n / (2 * $n + 1); } print 4 * $x, "\n";

Lua a = tonumber(io.read()) x = 0.0 for n = 0, a do x = x + (-1.0)^n / (2 * n + 1) end print(4 * x)

Google Apps Script function main(){ let a=Browser.inputBox("項数"); let x=0 for(let n=0;n<=a;n++){ x+=Math.pow(-1,n)/(2*n+1);

Browser.msgBox(4*x); }

これらのプログラムは、計算回数を入力として受け取り、ライプニッツ級数による円周率の近似値を出力する。

教育的意義ライプニッツ級数は、以下の概念を説明する教材として用いられる。

無限級数交代級数の収束数値計算における誤差アルゴリズムの効率比較

その単純さから、初学者向けの数学教育やプログラミング教育において重要な役割を果たしている。関連項目円周率無限級数テイラー級数円周率の近似参考文献

http://www.pluto.ai.kyutech.ac.jp/~matumoto/dvi/pi.pdf https://manabitimes.jp/math/1229 https://note.com/ur_alr/n/n6f7420a41d24 https://shigotoron.com/%E4%B8%89%E8%A7%92%E9%96%A2%E6%95%B0%E3%81%AE%E7%84%A1%E9%99%90%E7%A9%8D%E3%82%92%E7%94%A8%E3%81%84%E3%81%9F%E7%B4%9A%E6%95%B0%E3%81%AE%E8%A8%88%E7%AE%97/ https://mathlandscape.com/alter-series-convergence/

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