分数を足すだけで π が出てくる!ライプニッツ級数とオイラー定数
を足していくと、部分和は 、、、 と上下に振れながら に寄っていきます。
この値は です。分数だけを足しているのに、円周率が出てくる。
もそうですが、極限でしか書けない定数がいくつもあります。ここでは と を、極限の形から見ていきます。
ライプニッツ級数
上の式はグレゴリーとライプニッツが見つけたもので、グレゴリー級数とも呼ばれます[2]。
交代級数なので、部分和は をまたぎながら幅を狭めていきます。奇数項で上、偶数項で下です。
交代級数は次の項で押さえられる
符号が交互で、項の絶対値が減っていく級数では、部分和と和の差が次の項より小さくなります。
項まで足したときの誤差は 以下です。 項なら 以下。
| 項数 | 部分和 | 差 |
|---|---|---|
桁を 1 つ増やすのに、項数を 10 倍にする必要があります。この式で を計算するのは現実的ではありません[2]。
収束を速める変形はいくつもあります[2]。マチンの公式 がその代表です。
調和級数と対数の差
は発散します。 も発散します。差をとるとどうなるか。
では 、 では 。
差は一定の値に落ち着きます。これがオイラー・マスケローニ定数 です[1]。
なぜ差が収まるのか
短冊と曲線の面積の差で説明できます。 を幅 の短冊、 を の下の面積と見ます。
短冊は曲線からわずかにはみ出します。 番目のはみ出しは で、 の程度です。
が収束するので、はみ出しの合計も有限に収まる。それが の正体になります。

記号と歴史
を最初に定義したのはオイラーで、1735 年です[1][3]。彼は文字 を使い、真剣に検討する価値がある数だと述べました[1]。
いまの記号 はマスケローニが 1790 年に採用したものです[1]。
同じ 1735 年に、オイラーは も示しています[3]。そこから や の値へ進みました[3]。
は無理数かどうか分かっていない
と はどちらも無理数で、しかも超越数だと分かっています。 については、無理数かどうかすら未解決です[1]。
仮に が分数 で書けるとしても、分母は でなければならないと分かっています[1]。
無理数であり、超越数でもある。証明が済んでいる
小数第 1 億位まで計算されているが、無理数かどうかが未解決
積の形で書ける定数
級数だけでなく、無限積で書かれる定数もあります。ウォリスの公式がその例です[4]。
ウォリスが 1656 年の著作で発表しました[4]。 の無限積表示から導けます[4]。
項で 、 項で 。 で、こちらも収束は速くありません。
無限積は、対数をとると無限級数に変わります。
なので、級数の収束の話に持ちこめる。
極限が定数を作る
有理数の演算だけを無限に続けた先に、有理数でない数が現れます。
有限回の計算では書けないので、極限という手続きそのものが定義になっている。数を極限で定義した最初の例が でした。
収束の速さを比べる
同じ を出す式でも、実用の差は大きい。
| 方法 | 100 項での誤差 |
|---|---|
| ライプニッツ級数 | |
| ウォリスの積 | |
| 正多角形(96 角形) |
正多角形は辺の数を倍にするだけで誤差が になるので、少ない手数で桁が伸びます。
級数のほうは、変形して収束を速めます[2]。マチンの公式は の引数が小さいぶん、1 項ごとに桁が増えます。
はいくつですか。
- 発散する
級数の側も確かめます。
を 項まで足したとき、和との差はどのくらいですか。
- より小さい
- より大きい
- より小さい
交代級数では、部分和と和の差が次の項より小さくなります。 項目は なので、差はそれ未満です。 まで縮むのは、もっと速い級数の場合になります。
分数を足すだけの手続きが、 や という有理数でない数に届く。極限は、有限の計算では作れない数を作る道具になっています。













Hn も logn もどちらも発散しますが、差は γ=0.5772156649… に収束します。0 は 2 つが完全に一致すると見た誤り、発散は差をとらずに片方だけを見た誤りです。