华里士公式是定积分计算中一个非常常用的公式之一,除了可以快速求三角函数n次幂的积分外,形状也非常好记,也被称为点火公式。
在求二重积分的过程中,也经常会把原积分转化为三角函数的n次幂形式,所以尝试证明这个公式还是很有实践价值的。
华里士公式有多种变体,主要可以归纳为两个:
∫02πSCn(x)dx=n!!(n−1)!!(2π)(n+1mod2)
2π=n→∞lim(2n−1)!!(2n)!!×(2n+1)!!(2n)!!
由于常用的公式为第一个,所以在此先证明第一个公式。
首先证明
∫02πsinnxdx=∫02πcosnxdx
In=∫02πsinnxdxt=2π−x∫−2π0sinn(2π−t)(−dt)=∫02πcosntdt
接下来对In分部积分
In=∫02πsinnxdx=∫02πsinn−1xd(−cosx)=−sinn−1xcosx∣02π+∫02πcosx⋅(n−1)⋅sinn−2xcosxdx=(n−1)∫02πcos2xsinn−2xdx=(n−1)∫02π(1−sin2x)sinn−2xdx=(n−1)In−2−(n−1)In⇒In=nn−1In−2
由此,就可以发现,这是一个套娃的过程。
In=nn−1⋅n−2n−3⋅n−4n−5...
当n为偶数时:
In=nn−1⋅n−2n−3⋅n−4n−5...43⋅21⋅I0=n!!(n−1)!!⋅I0
其中I0为:
I0=∫02πsin0xdx=∫02πdx=2π
当n为奇数时:
In=nn−1⋅n−2n−3⋅n−4n−5...43⋅I1=n!!(n−1)!!⋅I1
其中I1为:
I1=∫02πsin1xdx=−cosx∣02π=1
综上:
In={\displaylinesn!!(n−1)!!⋅2π,n为偶数n!!(n−1)!!⋅1,n为奇数
令SC(x)=sinx或cosx
In=∫02πsinnxdx=∫02πcosnxdx=∫02πSCn(x)dx=n!!(n−1)!!(2π)(n+1mod2)
在应用时,还需要注意SC(x)的奇数次幂的周期性和对称性和SC(x)相同,SC(x)的偶数次幂的周期性和对称性和∣SC(x)∣相同。