算术-几何平均数

欲计算${\displaystyle a_{0}=24}$ 和${\displaystyle g_{0}=6}$ 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：

${\displaystyle a_{1}={\frac {24+6}{2}}=15,}$ 

${\displaystyle g_{1}={\sqrt {24\times 6}}=\,}$ ${\displaystyle 12}$ 

然后进行迭代：

${\displaystyle a_{2}={\frac {15+12}{2}}=13.5,}$ 

${\displaystyle g_{2}={\sqrt {15\times 12}}=\,}$ ${\displaystyle 13.416407864999}$  etc.

继续计算，可得出以下的值：

n	an	gn
0	24	6
1	15	12
2	13.5	13.416407864999...
3	13.458203932499...	13.458139030991...
4	13.458171481745...	13.458171481706...

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。

${\displaystyle M(x,y)}$ 是一个介于${\displaystyle x}$ 和${\displaystyle y}$ 的算术平均数和几何平均数之间的数。

如果${\displaystyle r>0}$ ，则${\displaystyle M(rx,ry)=rM(x,y)}$ 。

${\displaystyle M(x,y)}$ 还可以写为如下形式：

${\displaystyle \mathrm {M} (x,y)={\frac {\pi }{4}}\cdot {\frac {x+y}{K\left({\frac {x-y}{x+y}}\right)}}}$ 

其中${\displaystyle K(x)}$ 是第一类完全椭圆积分。

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

${\displaystyle {\frac {1}{\mathrm {M} (1,{\sqrt {2}})}}=G=0.8346268\dots }$ 

由算术几何不等式可得

${\displaystyle g_{n}\leqslant a_{n}}$ 

因此

${\displaystyle g_{n+1}={\sqrt {g_{n}\cdot a_{n}}}\geqslant {\sqrt {g_{n}\cdot g_{n}}}=g_{n}}$ 

这意味着 ${\displaystyle \{g_{n}\}}$  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（${\displaystyle x,y}$  中的较大者）。根据单调收敛定理，存在 ${\displaystyle g}$  使得:

${\displaystyle \lim _{n\to \infty }g_{n}=g}$ 

然而，我们又有:

${\displaystyle a_{n}={\frac {g_{n+1}^{2}}{g_{n}}}}$ 

从而:

${\displaystyle \lim _{n\to \infty }a_{n}=\lim _{n\to \infty }{\frac {g_{n+1}^{2}}{g_{n}}}={\frac {g^{2}}{g}}=g}$ 

证毕。

该证明由高斯首次提出^[1]。 令

${\displaystyle I(x,y)=\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}{\frac {d\theta }{\sqrt {x^{2}\cos ^{2}\theta +y^{2}\sin ^{2}\theta }}},}$ 

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

${\displaystyle \sin \theta ={\frac {2x\sin \theta '}{(x+y)+(x-y)\sin ^{2}\theta '}},}$ 

于是可得

${\displaystyle {\begin{aligned}I(x,y)&=\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}{\frac {d\theta '}{\sqrt {{\bigl (}{\frac {1}{2}}(x+y){\bigr )}^{2}\cos ^{2}\theta '+{\bigl (}{\sqrt {xy}}{\bigr )}^{2}\sin ^{2}\theta '}}}\\&=I{\bigl (}{\frac {1}{2}}(x+y),{\sqrt {xy}}{\bigr )}.\end{aligned}}}$ 

因此，我们有

${\displaystyle {\begin{aligned}I(x,y)&=I(a_{1},g_{1})=I(a_{2},g_{2})=\cdots \\&=I{\bigl (}M(x,y),M(x,y){\bigr )}={\frac {\pi }{2M(x,y)}}.\end{aligned}}}$ 

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

于是我们便可得到算术几何平均数的积分表达式：

${\displaystyle M(x,y)={\frac {\pi }{2I(x,y)}}.}$ 

引用

来源

• 算术平均数
• 几何平均数