DIO AMA I NUMERI DISPARI LEIBNIZ (1682) CARLANGELO LIVERANI Poichè tan π4 = 1 abbiamo π4 = arctan 1. Se siamo interessati in π è quindi interessante essere in grado di calcolare l’arcotangente. Si noti che, per ogni x ∈ R, |x| < 1, si ha ∞ X 1 d arctan x = = (−x2 )n , dx 1 + x2 n=0 dove abbiamo usato la ben nota formula per la somma della serie geometrica. Da ora in poi supponiamo x ∈ [0, 1). Si noti che, per ogni L ∈ N, possiamo scrivere Z xX Z xX ∞ L−1 ∞ XZ x arctan x = (−z 2 )n dz = (−z 2 )n dz + (−z 2 )n dz. 0 eq:leib n=0 0 n=0 0 n=L Per l’argomento di Leibniz (vedi la dimostrazione del criterio di Leibniz) segue che se si ha una successione positiva decrescente {an } allora ∞ X n (0.1) (−1) an ≤ |aL |. n=L Quindi Z Z ∞ xX x 1 x2L+1 (−z 2 )n dz ≤ ≤ . z 2L dz = 0 2L + 1 2L +1 0 n=L Dunque eq:arc0 (0.2) L−1 X x2n+1 arctan x = (−1) +O 2n + 1 n=0 n 1 2L + 1 . Prendendo il limite per L → ∞ della espressione qui sopra si ottiene eq:arc (0.3) arctan x = ∞ X (−1)n n=0 x2n+1 . 2n + 1 Abbiamo cosı̀ una formula per calcolare l’arcotangente, sfortunatamente non sappiamo se è valida per x =eq:arc0 1. Per rispondere a questa domanda è conveniente prendere il limite per x → 1 in (0.2): L−1 X 1 1 arctan 1 = (−1)n +O . 2n + 1 2L + 1 n=0 Date: October 8, 2013. 1 2 CARLANGELO LIVERANI Se prendiamo ora il limite per L → ∞ abbiamo ∞ X (−1)n arctan 1 = . 2n + 1 n=0 Da questa formula segue lo stupore di Leibniz (e, nel mio piccolo, anche il mio): π è connesso ad una somma di inversi di numeri dispari: ∞ X 1 1 1 1 1 π (−1)n = =1− + − + − + .... 4 2n + 1 3 5 7 9 11 n=0 Carlangelo Liverani, Dipartimento di Matematica, II Università di Roma (Tor Vergata), Via della Ricerca Scientifica, 00133 Roma, Italy. E-mail address: [email protected]