Chronology Current Month Current Thread Current Date
[Year List] [Month List (current year)] [Date Index] [Thread Index] [Thread Prev] [Thread Next] [Date Prev] [Date Next]

Re: [Phys-L] physical significance of the arithmetic-geometric mean



Thanks!
This is something I can actually use in my AP classes rather than handwaving about small angles. 

Scott



******************************************
Scott Goelzer
Physics, Engineering, & Chemistry 
Coe-Brown Northwood Academy
Northwood NH
sgoelzer@coebrown.org
******************************************

The information contained in this email is confidential and may contain proprietary information.  It is meant solely for the intended recipient.  Access to this email by anyone else is unauthorized.  If you are not the intended recipient, any disclosure, copying, distribution or any action taken or omitted in reliance on this, is prohibited and may be unlawful.  No liability or responsibility is accepted if information or data is, for whatever reason corrupted or does not reach its intended recipient.  No warranty is given that this email is free of viruses.  The views expressed in this email are, unless otherwise stated, those of the author and not those of Coe-Brown Northwood Academy.  Coe-Brown Northwood Academy reserves the right to monitor, intercept and block emails addressed to its users or take any other action in accordance with its email use policy.  If you believe you have received this email in error, please contact sgoelzer@coebrown.org.

On Mar 25, 2025, at 8:03 PM, John Denker via Phys-l <phys-l@mail.phys-l.org> wrote:

Hi --

Here's how to make the connection between the arithmetic-geometric
mean (agm) and the basic laws of motion (e.g. as applied to the
nonlinear motion of a pendulum):

1) Suppose you want to integrate (1/r)dθ around an ellipse, given the
semi-major axis a and the semi-minor axis b. That requires doing an
elliptic integral, which is no fun.

2) Key idea: Now suppose you have a *sequence* of ellipses, all with
the *same* average 1/r, and suppose the sequence rapidly converges to
a circle. This is illustrated here:
 https://av8n.com/physics/img48/agm-ellipses.png

3) The average 1/r for a circle is obvious. Game over, you win.

4) The only question is how to construct the ellipses. It turns out
that the a(i) and b(i) that define the agm serve the purpose. Some
guy named Gauss cooked this up in the early 1800s.

For an outline of the proof, see slide 5 (pdf page 9) here, using
definitions from slide 4 (pdf page 7).

https://ctnt-summer.math.uconn.edu/wp-content/uploads/sites/1632/2016/02/coxctnt.pdf#page=9

===============

In the previous message I hinted at a closed-form approximation for
agm(1,b). Here it is explicitly:

       agm(1,b) = 0.25 + 0.25*b + 0.5*sqrt(b)

and for the pendulum we set
       b = cos(θ/2)

That's accurate within 20 ppm all the way out to θ=±90°. That's useful
only if you're stuck on a desert island without a computer that can do
iterations. Normally it's simpler and better just to call the function
that evaluates agm() to full double-precision accuracy. Here again is
the exact formula, which is easier to remember than any approximation:

               2π √(L/g)
       T = ------------------
            agm(1, cos(θ/2))

and evaluating agm() is remarkably efficient.

_______________________________________________
Forum for Physics Educators
Phys-l@mail.phys-l.org
https://www.phys-l.org/mailman/listinfo/phys-l