高斯-勒让德算法

高斯-勒让德算法是一种用于计算圆周率（π）的算法。它以迅速收敛著称，只需25次迭代即可产生π的4500万位正确数字。不过，它的缺点是内存密集，因此有时它不如梅钦类公式使用广泛。

该方法基于德国数学家卡尔·弗里德里希·高斯（Johann Carl Friedrich Gauß，1777–1855）和法国数学家阿德里安-马里·勒让德（Adrien-Marie Legendre，1752–1833）的个人成果与乘法和平方根运算之现代算法的结合。该算法反复替换两个数值的算术平均数和几何平均数，以接近它们的算术-几何平均数。

下文的版本也被称为高斯-欧拉，布伦特-萨拉明（或萨拉明-布伦特）算法^[1]；它于1975年被理查德·布伦特和尤金·萨拉明独立发现。日本筑波大学于2009年8月17日宣布利用此算法计算出π小数点后2,576,980,370,000位数字，计算结果用波温算法检验。^[2]

知名的电脑性能测试程序Super PI也使用此算法。

算法

1. 设置初始值：
   ${\displaystyle a_{0}=1\qquad b_{0}={\frac {1}{\sqrt {2}}}\qquad t_{0}={\frac {1}{4}}\qquad p_{0}=1.\!}$
2. 反复执行以下步骤直到${\displaystyle a_{n}\!}$与${\displaystyle b_{n}\!}$之间的误差到达所需精度：
   ${\displaystyle {\begin{aligned}a_{n+1}&={\frac {a_{n}+b_{n}}{2}},\\b_{n+1}&={\sqrt {a_{n}b_{n}}},\\t_{n+1}&=t_{n}-p_{n}(a_{n}-a_{n+1})^{2},\\p_{n+1}&=2p_{n}.\end{aligned}}}$
3. 则π的近似值为：
   ${\displaystyle \pi \approx {\frac {(a_{n+1}+b_{n+1})^{2}}{4t_{n+1}}}.\!}$

下面给出前三个迭代结果（近似值精确到第一个错误的位数）：

${\displaystyle 3.140\dots \!}$

${\displaystyle 3.14159264\dots \!}$

${\displaystyle 3.1415926535897932382\dots \!}$

该算法具有二阶收敛性，本质上说就是算法每执行一步正确位数就会加倍。

数学背景

算术-几何平均数的极限

a₀和b₀两个数的算术-几何平均数，是通过计算它们的序列极限得到的：

${\displaystyle {\begin{aligned}a_{n+1}&={\frac {a_{n}+b_{n}}{2}},\\b_{n+1}&={\sqrt {a_{n}b_{n}}},\end{aligned}}}$

两者汇聚于同一极限。
若${\displaystyle a_{0}=1\!}$且${\displaystyle b_{0}=\cos \varphi \!}$，则极限为${\displaystyle {\pi \over 2K(\sin \varphi )}\!}$，其中${\displaystyle K(k)\!}$为第一类完全椭圆积分：

${\displaystyle K(k)=\int _{0}^{\pi \over 2}{\frac {d\theta }{\sqrt {1-k^{2}\sin ^{2}\theta }}}.\!}$

若${\displaystyle c_{0}=\sin \varphi \!}$，${\displaystyle c_{i+1}=a_{i}-a_{i+1}\!}$，则

${\displaystyle \sum _{i=0}^{\infty }2^{i-1}c_{i}^{2}=1-{E(\sin \varphi ) \over K(\sin \varphi )}\!}$

其中${\displaystyle E(k)\!}$为第二类完全椭圆积分：

${\displaystyle E(k)=\int _{0}^{\pi \over 2}{\sqrt {1-k^{2}\sin ^{2}\theta }}\,d\theta .\!}$

高斯知道以上这两个结果。^{[3] [4] [5]}

勒让德恒等式

对于满足${\displaystyle \varphi +\theta ={1 \over 2}\pi \!}$的${\displaystyle \varphi \!}$与${\displaystyle \theta \!}$，勒让德证明了以下恒等式：

${\displaystyle K(\sin \varphi )E(\sin \theta )+K(\sin \theta )E(\sin \varphi )-K(\sin \varphi )K(\sin \theta )={1 \over 2}\pi \!.}$^[3]

高斯-欧拉法

${\displaystyle \varphi =\theta ={\pi \over 4}\!}$的值可以代入勒让德恒等式，且K、E的近似值可通过${\displaystyle a_{0}=1\!}$与${\displaystyle b_{0}=\sin {\pi \over 4}={\frac {1}{\sqrt {2}}}\!}$的算术-几何平均数的序列项得到。^[6]

参考文献

1. Brent, Richard, Old and New Algorithms for pi, Letters to the Editor, Notices of the AMS 60(1), p. 7
2. [円周率計算桁数世界記録樹立について (PDF). [2009-11-29]. （原始内容存档 (PDF)于2020-09-25）. 円周率計算桁数世界記録樹立について]
3. Brent, Richard, Traub, J F , 编, Multiple-precision zero-finding methods and the complexity of elementary function evaluation, Analytic Computational Complexity (New York: Academic Press), 1975: 151–176 [8 September 2007], （原始内容存档于2008-07-23）
4. Salamin, Eugene, Computation of pi, Charles Stark Draper Laboratory ISS memo 74–19, 30 January, 1974, Cambridge, Massachusetts
5. Salamin, Eugene, Computation of pi Using Arithmetic-Geometric Mean, Mathematics of Computation 30 (135), 1976, 30 (135): 565–570, ISSN 0025-5718 引文格式1维护：日期与年 (link)
6. Adlaj, Semjon, An eloquent formula for the perimeter of an ellipse, Notices of the AMS 59(8), p. 1096