■スターリングの公式の図形的証明?(その64)

 内接球がスターリングの公式の近似には役立ち,その結果が

  n!/n^n〜2(π/8)^n

であった.

 それに対して外接球の場合は,このままでは扱いにくいので,k→∞とすると

  {(4k−1)/3k(2k−1)}→(2/3k)

 したがって,

  π^k/k!(2/3k)^k≧1/2・{1/k}^2k・2^2k

という不等式になることがわかる.整理すると

  k!/k^k≦2(π/6)^k

となって,正軸体と切頂正軸体の体積比較によって得られた不等式

  k!/k^k≦2(1/2)^k

より若干劣るものとなった.

 また,切頂面に対する内接球は,kが大きくなるにつれて

  n次元切頂八面体の体積>球の体積

となることは明らかである.なぜなら

  1/2・{1/k}^2k・2^2k>π^k/k!・{1/k}^2k

を整理すると

  k!>2(1/2)^k・(π/2)^k

  k!/k^k>2(1/2)^k・(π/2k)^k

という自明な不等式である.

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 正軸体の中接球の体積

  π^(n/2)/Γ(n/2+1)・r^n

とn次元切頂八面体の体積

  1/2・(2/n)^n・2^n

の大小比較を行うが,ここでは偶数次元の場合(n=2k)だけを扱うことにする.

  1/2・(2/n)^n・2^n=1/2・{1/k}^2k・2^2k

  π^(n/2)/Γ(n/2+1)・r^n=π^k/k!・r^2k

したがって,

  r^2k≒k!/2・(2/k√π)^2k

  r^2≒(k!/2)^1/k・4/πk^2=((n/2)!/2)^2/n・16/πn^2

となるような中接球がbest fitすることになる.

 n→∞になるにつれて

  (n/2)!〜√(πn)(n/2)^n/2exp(−n/2)

であるから

  r^2≒(πn)^1/n(n/2e)・16/πn^2

〜(8/πe)/n^2

すなわち,内接球よりわずかに小さいところに近づいていくのである.

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