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圓周率

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手寫體的π
如果一個圓的直徑是1,它的圓周便是π
各种各样的
基本

延伸
其他

圓周率
自然對數的底
虛數單位
無限大

圓周率,一般以π來表示,是一個在數學物理學普遍存在的數學常數,是精確計算圓周長、圓面積、體積等幾何量的關鍵值,其定義為周長直徑的比值。 也等於圓的面積半徑平方的比值。

分析學裡, 可以嚴格定義為滿足 的最小正實數 ,這裡的 正弦函數(採用分析學的定義)。

近似值

  • 常用π的十進位近似值為3.141592654,另外還有由祖沖之給出的約率密率[1]
  • 一般教育使用的π值只取3.14或,超過3.14159265358979323846264338327之後的位數就較鮮為人知了。如今,π的近似值已可算到小数点百万亿位。
  • 巴比倫人曾使用六十進制的圓周率,數值為
3.8,29,44,0,47,25,53,7,24,57,
36,17,43,4,29,7,1,3,41,17,
52,36,12,14,36,44,51,5,15,33,
7,23,59,9,13,48,22,12,21,45,
22,56,47,39,44,28,37,58,23,21,
11,56,33,22,4,42,31,6,6,4。[2]


π的計算及歷史

由於π的無理性,所以只能以近似值的方法計算π。對於一般應用3.14或已足夠,但工程學常利用3.1416(5位有效數字)或3.14159(6位有效數字)。至於密率(3.1415929203539823008849557522124........)則是一個易於記憶(三個連續奇數:113355),且精確至7位有效數字的分數近似值。

而在2009年末,有科學家已經用超級電腦計算出圓周率暫時計到小數點後2萬9千億個小數位。

而在2010年8月,日本男子近藤茂利用自己組裝硬盤容量達32TB電腦,計算出圓周率小數點後5萬億個小數位。[3]

而在2011年10月19日,日本程序員JA0HXV宣布他已經將圓周率Pi計算到小數點後10萬億位[4]

實驗時期

中國古籍云:「徑一周三」[5],意即取π=3。

公元前17世紀的埃及古籍《阿美斯紙草書》(Ahmes,又稱“阿梅斯草片文書”;為英國人Alexander Henry Rhind(萊茵德)於1858年發現,因此還稱“萊茵德紙草書” Rhind Papyrus)是世界上最早給出圓周率的超過十分位的近似值,為256/81 ( = 3 + 1/9 + 1/27 + 1/81)或3.160。

阿基米德以前,π值的測定依靠實物測量。

幾何法時期——反覆割圓

阿基米德用正96邊形割圓術得出圓周率介于之間。

公元263年,中國數學家劉徽用“割圓術”計算圓周率,他先從圓內接正六邊形,逐次分割為12、24、48、96、192邊形。他說「割之彌細,所失彌少,割之又割,以至於不可割,則與圓周合體而無所失矣。」(分割愈精細,誤差愈少。分割之後再分割,直到不能再分割為止,它就會與圓周完全重疊,就不會有誤差了),其中有求極限的思想。劉徽給出π=3.141024的圓周率近似值,並以(徽率)為其分數近似值。

公元466年,中國數學家祖沖之將圓周率算到小數點後7位的精確度,這一紀錄在世界上保持了一千年之久。同時,祖沖之給出了(密率)這個很好的分數近似值,它是分母小於10,000的簡單分數中最接近π的。為紀念祖沖之對圓周率發展的貢獻,日本數學家三上義夫將這一推算值命名為“祖沖之圓周率”,簡稱“祖率”。可惜祖沖之的著作《綴術》已經亡佚,後人無從得知祖沖之如何估算圓周率的值。

錢大昕的《十駕齋養新錄》卷第十七首條〈圓徑周率〉引《隋書律曆志》:「古之九數,圓周率三圓徑率一,其術疏舛,自劉歆、張衡、劉徽、王蕃、皮延宗之徒,各設新率,未臻折衷。宋末南徐州從事史祖沖之更開密率,以圓徑一億為一丈,圓周盈數三(刻本作二,誤)丈一尺四寸一分五釐九毫二秒七忽,朒數三丈一尺四寸一分五釐九毫二秒六忽,正數在盈朒二限之間,密率圓徑一百一十三,圓週三百五十五,約率圓徑七,周二十二。又設開差冪、開差立,兼以正圓參之,指要精密,算氏之最者也。」

分析法時期——無窮級數

這一時期人們開始擺脫利用割圓術的繁複計算,開始利用無窮級數或無窮連乘積求π。

魯道夫·范·科伊倫(約1600年)計算出π的小數點後首35位。他對此感到自豪,因而命人把它刻在自己的墓碑上。

斯洛文尼亞數學家Jurij Vega於1789年得出π的小數點後首140位,其中有137位是正確的。這個世界紀錄維持了五十年。他利用了John Machin於1706年提出的數式。

所有以上的方法都不能快速算出π。第一個快速算法由梅欽在1706年提出:

其中arctan(x)可由泰勒級數算出。類似方法稱為“梅欽類公式”。

计算机時代

上萬位以上的小數位值通常利用高斯-勒讓德算法波溫算法;另外以往亦曾使用於1976年發現的薩拉明-布倫特算法

第一個π和1/π的小數點後首一百萬位利用了古騰堡計劃。最新紀錄是2002年九月得出的1,241,100,000,000個小數位,由擁有1TB主記憶體的64-node日立超級電腦,以每秒200億運算速度得出,比舊紀錄多算出一倍(206億小數位)。此紀錄由以下梅欽類公式得出:

(K. Takano, 1982年)
(F. C. W. Störmer, 1896年)

這麼多的小數位沒什麼實用價值,只用以測試超級電腦

1996年,David H. Bailey、Peter Borwein及西蒙·普勞夫發現了π的其中一個無窮級數:

以上述公式可以計算π的第n二進位十六進位小數,而不需先計算首n-1個小數位。此類π算法稱為贝利-波尔温-普劳夫公式。請參考Bailey's website 上相關程式

法布里斯·贝拉1997年給出了計算機效率上高出上式47%的BBP算法:

請參考Fabrice Bellard's PI page

其他計算圓周率的公式包括:

(拉馬努金Ramanujan)
(David Chudnovsky及Gregory Chudnovsky)
[2]

編寫電腦程式時,也可以利用反三角函數直接定義值,但是編譯器必須具備三角函數的函式庫:
利用正弦函數

利用餘弦函數

年表

日期 計算者 π的值
(世界紀錄粗體表示)
前20世紀 巴比倫 25/8 = 3.125
前20世紀 埃及人Rhind Papyrus (16/9)² = 3.160493...
前12世紀 中國 3
前6世紀 聖經列王記上7章23節 3
前434年 阿那克薩哥拉嘗試通過尺規作圖化圓為方
前3世紀 阿基米德 223/71 <π< 22/7
(3.140845... < π < 3.142857...)
211875/67441 = 3.14163491...
前20年 Vitruvius 25/8 = 3.125
前50年23年 劉歆 3.1547[6]
130年 張衡 92/29 = 3.17241...[6]
√10 = 3.162277...
150年 托勒密 377/120 = 3.141666...
250年 王蕃 142/45 = 3.155555...
263年 劉徽 3.14159
480年 祖沖之 3.1415926 <π< 3.1415927/3.1415929......
499年 Aryabhatta 62832/20000 = 3.1416
598年 Brahmagupta √10 = 3.162277...
800年 花拉子密 3.1416
12世紀 Bhaskara 3.14156
1220年 比薩的列奧納多 3.141818
1400年 Madhava 3.14159265359
以後的紀錄都僅記錄小數點後多少位,而不給出實際數值
1424年 Jamshid Masud Al Kashi 16位小數
1573年 Valenthus Otho 6位小數
1593年 Francois Viete 9位小數
1593年 Adriaen van Roomen 15位小數
1596年 魯道夫·范·科伊倫 20位小數
1615年 32位小數
1621年 威理博·司乃耳, 范·科伊倫的學生 35位小數
1665年 牛頓 16位小數
1699年 Abraham Sharp 71位小數
1700年 Seki Kowa 10位小數
1706年 John Machin 100位小數
1706年 William Jones引入希臘字母π
1719年 De Lagny計算了127個小數位,但並非全部是正確的 112位小數
1723年 Takebe 41位小數
1730年 Kamata 25位小數
1734年 萊昂哈德·歐拉引入希臘字母π並肯定其普及性
1739年 Matsunaga 50位小數
1761年 Johann Heinrich Lambert證明π是無理數
1775年 歐拉指出π是超越數的可能性
1789年 Jurij Vega 計算了140個小數位,但並非全部是正確的 137位小數
1794年 阿德里安-馬里·勒讓德證明π²是無理數(則π也是無理數),並提及π是超越數的可能性
1841年 Rutherford計算了208個小數位,但並非全部是正確的 152位小數
1844年 Zacharias Dase及Strassnitzky 200位小數
1847年 Thomas Clausen 248位小數
1853年 Lehmann 261位小數
1853年 Rutherford 440位小數
1853年 William Shanks 527位小數
1855年 Richter 500位小數
1874年 en:William Shanks耗費15年計算了707位小數,可惜1946年D. F. Ferguson發現其結果非全對 527位小數
1882年 Lindemann證明π是超越數林德曼-魏爾斯特拉斯定理
1946年 D. F. Ferguson使用桌上計算器 620位小數
1947年 710位小數
1947年 808位小數
1949年 J. W. Wrench爵士和L. R. Smith首次使用電腦(ENIAC)計算π,以後的記錄都用電腦來計算的 2,037位小數
1953年 Mahler證明π不是劉維爾數
1955年 J. W. Wrench, Jr,及L. R. Smith 3,089位小數
1957年 G.E.Felton 7,480位小數
1958年 Francois Genuys 10,000位小數
1958年 G.E.Felton 10,020位小數
1959年 Francois Genuys 16,167位小數
1961年 IBM 7090電晶體計算機 20,000位小數
1961年 J. W. Wrench, Jr,及L. R. Smith 100,000位小數
1966年 250,000位小數
1967年 500,000位小數
1974年 1,000,000位小數
1981年 金田康正 2,000,000位小數
1982年 4,000,000位小數
1983年 8,000,000位小數
1983年 16,000,000位小數
1985年 Bill Gosper 17,000,000位小數
1986年 David H. Bailey 29,000,000位小數
1986年 金田康正 33,000,000位小數
1986年 67,000,000位小數
1987年 134,000,000位小數
1988年 201,000,000位小數
1989年 楚諾維斯基兄弟 480,000,000位小數
1989年 535,000,000位小數
1989年 金田康正 536,000,000位小數
1989年 楚諾維斯基兄弟 1,011,000,000位小數
1989年 金田康正 1,073,000,000位小數
1992年 2,180,000,000位小數
1994年 楚諾維斯基兄弟 4,044,000,000位小數
1995年 金田康正和高橋 4,294,960,000位小數
1995年 6,000,000,000位小數
1996年 楚諾維斯基兄弟 8,000,000,000位小數
1997年 金田康正和高橋 51,500,000,000位小數
1999年 68,700,000,000位小數
1999年 206,000,000,000位小數
2002年 金田康正的隊伍 1,241,100,000,000位小數
2009年 高橋大介[7] 2,576,980,370,000位小數
2009年 法布里斯·貝拉 2,699,999,990,000位小數
2010年 近藤茂[8] 5,000,000,000,000位小數
2011年 近藤茂[9] 10,000,000,000,000位小數

2011年IBM 蓝色基因/P超级计算机[10]算出π260,000,000,000,000位二進制小數

π的特性和相關公式

幾何

若圓的半徑為r,則其圓周C = 2πr
若圓的半徑為r,則其面積為Ar2
橢圓的長、短兩軸分別為ab ,則其面積為A = πab
球體的半徑為 r,則其體積V = (4/3)πr3
若球體的半徑為r,則其表面積A = 4πr2
:180相等於π弧度

环面的体积和表面积公式

R是管子的中心到画面的中心的距离, r是圆管的半径。

π是個無理數,即不可表達成兩個整數之比,是由Johann Heinrich Lambert於1761年證明的。 1882年,Ferdinand Lindemann更證明了π是超越數,即不可能是任何有理數多項式的根。

圓周率的超越性否定了化圓為方這古老尺規作圖問題的可能性,因所有尺規作圖只能得出代數數

(Leibniz定理)
(Wallis乘積)
(由歐拉证明,参见巴塞尔问题)


(斯特林公式)
(歐拉公式)

π有個特別的連分數表示式:

π本身的連分數表示式(簡寫)為[3;7,15,1,292,1,1,1,2,1,3,1,14,2,1,1,2,...],其近似部分給出的首三個漸近分數

第一個和第三個漸近分數即為約率和密率的值。數學上可以證明,這樣得到的漸近分數,在分子或分母小於下一個漸進分數的分數中,其值是最接近精確值的近似值。

(另有12個表達式見於[3] )

兩個任意自然數是互質概率
任取一個任意整數,該整數沒有重複質因數的概率
一個任意整數平均可用個方法寫成兩個完全數之和。
取一枚長度為l的針,再取一張白紙在上面畫上一些距離為2l的平行線。把針從一定高度釋放,讓其自由落體到紙面上。針與平行線相交的概率是圓周率的倒數(泊松針)。曾經有人以此方法來尋找π的值。

動態系統/遍歷理論

對[0, 1]中幾乎所有x0,其中 xi是對於r=4的邏輯圖像迭代數列。

(海森堡不确定性原理)

(相對論的場方程)

(此為常態分配機率密度函數

精度高π的應用

一般工程或天文運算不需要成千上萬位精確度的π,因為40位精確度的π已經足以計算誤差小於一個質子大小的銀河系圓周。現今精度高π應用於電腦軟硬件的測試,以不同的算法計算π而結果誤差大代表電腦系統可能出問題。[11] [12]

尚待解決的問題

關於π未解決的問題包括:

  • 它是否是一個正規數,即π的十進位運算式是否包含所有的有限數列?對於二進位運算式,答案是肯定的,這是Bailey及Crandall於2000年從Bailey-Borwein-Plouffe方程的存在而引申出來的。
  • 0,...,9是否以完全隨機的形態出現在π的十進位運算式中?若然,則對於非十進位運算式,亦應有類似特質。
  • 究竟是否所有0,...,9都會無窮地在π的小數運算式中出現?
  • 到底超級電腦計算出來的上億位的圓周率是否正確?

批评

近年来,有部分学者认为约等于3.14的π“不合自然”,应该用双倍于π、约等于6.28的一个常数代替。支持这一说法的学者认为在很多数学公式2π很常见,很少单独使用一个π。美国哈佛大学物理学教授的迈克尔·哈特尔称“圆形与直径无关,而与半径相关,圆形由离中心一定距离即半径的一系列点构成”。并建议使用希腊字母τ来代替π[13][14][15]

美国数学家鲍勃·帕莱(Bob Palais)于2001年在《数学情报》(The Mathematical Intelligencer)上发表了一篇题为《π 是错误的!》(π Is Wrong!)的论文。在论文的第一段,鲍勃·帕莱说道:

几个世纪以来,π 受到了无限的推崇和赞赏。数学家们歌颂 π 的伟大与神秘,把它当作数学界的象征;计算器和编程语言里也少不了 π 的身影;甚至有 一部电影 就直接以它命名⋯⋯但是,π 其实只是一个冒牌货,真正值得大家敬畏和赞赏的,其实应该是一个不幸被我们称作 2π 的数。

美国数学家麦克·哈特尔(Michael Hartl) 建立了网站 tauday.com ,呼吁人们用希腊字母 τ(发音:tau)来表示“正确的”圆周率 C/r。并建议大家以后在写论文时,用一句“为方便起见,定义 τ = 2π ”开头。

著名的 Geek 漫画网站 spikedmath.com 建立了 thepimanifesto.com ,里边有一篇洋洋洒洒数千字的 π 宣言。宣称圆周率定义为周长与直径之比有优越性。在衡量圆柱形物体的截面大小时,直径比半径更方便测量。

文化

背誦π的位數

圆周率背诵世界记录的趋势

世界記錄是100000位,日本人原口証於2006年10月3日背誦圓周率π至小數點後100000位。[16]

普通話用諧音記憶的有「山巔一寺一壺酒,爾樂苦煞吾,把酒吃,酒殺爾,殺不死,樂而樂」,就是3.1415926535897932384626。

英文,會使用英文字母的長度作為數字,例如「How I want a drink, alcoholic of course, after the heavy lectures involving quantum mechanics. All of thy geometry, Herr Planck, is fairly hard, and if the lectures were boring or tiring, then any odd thinking was on quartic equations again.」就是3.1415926535897932384626433832795。

π在數學外的用途

注釋

  1. ^ 錢大昕的《十駕齋養新錄》卷第十七首條〈圓徑周率〉
  2. ^ 60進制下60個小數位的圓周率
  3. ^ 日男砌機 計圓周率小數點5萬億位
  4. ^ [1]
  5. ^ 周髀算經》注中,趙爽指出「圓徑一而周三,方徑一而匝四」。
  6. ^ 6.0 6.1 e》,夏道行,商務印書館,第10頁,ISBN 962-07-2007-5
  7. ^ 筑波大學計算科学研究中心准教授,以超級電腦T2K筑波システム耗費73小時36分計算而得
  8. ^ 電算圓周率5兆位數 日人創紀錄. 中央社即時新聞 CNA-NEWS.COM. [2010-08-05]. 
  9. ^ 計算圓周率 日近藤茂再創紀錄. 自由時報. [2011-10-17]. 
  10. ^ Supercomputers Crack Sixty-Trillionth Binary Digit of Pi-Squared. energy.gov. April 28, 2011 [2011-05-05]. 
  11. ^ The Quest for Pi
  12. ^ Pi goes on forever
  13. ^ 有学者认为圆周率定义不合理 要求改为6.28. 网易. 2011-6-30 [2011-6-30] (中文(中国大陆)). 
  14. ^ Landau, Elizabeth. On Pi Day, is 'pi' under attack?. CNN. 14 March 2011 [15 March 2011]. 
  15. ^ Michael Hartl. The Tau Manifesto. 28 June 2010 [12 January 2011]. 
  16. ^ The Japan Times - How can anyone remember 100,000 numbers?

相關條目

外部連接

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