說起圓周率π相信大家都不陌生,從小學和初中時期起我們就開始接觸它了,現在我們都知道圓的周長與直徑之比是π≈3.14,知道它是一個無理數,也是一個超越數。
其實,人們對於圓周率π的理解經歷了一個相當漫長的過程,從π的出現到確定它是無理數,人類花了近4千年的時間。最早關於圓周率的歷史記錄可以追溯到約公元前20世紀,一塊古巴比倫石匾清楚地記載了圓周率π=25/8=3.125。同一時期的古埃及文物,萊因德數學紙草書也表明圓周率等於分數16/9的平方,約等於3.1605,埃及人似乎在更早的時候就知道圓周率了。
英國作家 John Taylor (1781–1864) 在其名著《金字塔》(《The Great Pyramid: Why was it built, and who built it?》)中指出,造於公元前2500年左右的胡夫金字塔和圓周率有關。例如,金字塔的周長和高度之比等於圓周率的兩倍,正好等於圓的周長和半徑之比。公元前800至600年成文的古印度宗教巨著《百道梵書》也顯示了圓周率等於分數339/108,約等於3.139。
一直到公元前3世紀,古希臘著名數學家、物理學家阿基米德才將圓周率正確地計算到小數點後3位。此後經過五百多年的時間,人們才將π值從3.141推進到3.14159(魏晉時期中國數學家劉徽)。又過了兩百多年,南北朝時期的數學家祖衝之用盈朒兩數表示圓周率的數值在3.1415926和3.1415927之間,將π的精度計算到小數點後7位,並且在之後的800多年裡祖衝之計算出的π值都是準確的。
一直到15世紀初阿拉伯數學家卡西求得圓周率17位精確小數值,打破祖衝之保持近千年的紀錄。德國數學家魯道夫·范·科伊倫於1596年將π值算到20位小數值,後投入畢生精力,於1610年算到小數後35位數,該數值被用他的名字稱為魯道夫數。
此後,圓周率π的計算從幾何法時期進入到分析法時期。這一時期人們開始利用無窮級數或無窮連乘積求π,擺脫可割圓術的繁複計算。無窮乘積式、無窮連分數、無窮級數等各種π值表達式紛紛出現,使得π值計算精度迅速增加。第一個快速算法由英國數學家梅欽提出,1706年梅欽計算π值突破100位小數大關,他利用了如下公式:
其中arctan x可由泰勒級數算出,類似的方法稱為「梅欽類公式」。 斯洛維尼亞數學家Jurij Vega於1789年得出π的小數點後140位,其中只有137位是正確的,這個世界紀錄維持了五十年。到1948年英國的弗格森和美國的倫奇共同發表了π的808位小數值,成為人工計算圓周率值的最高紀錄。
再後來,電子計算機的出現使π值的計算有了突飛猛進的發展。1949年,美國製造的世上首臺計算機—ENIAC(電子數字積分計算機)在阿伯丁試驗場啟用了。次年,裡特韋斯納、馮紐曼和梅卓普利斯利用這部電腦,計算出π的2037個小數位,這部電腦只用了70小時就完成了這項工作。
五年後,IBM NORC(海軍兵器研究計算機)只用了13分鐘,就算出π的3089個小數位。科技不斷進步,電腦的運算速度也越來越快,在60年代至70年代,隨著美、英、法的電腦科學家不斷地進行電腦上的競爭,π的值也越來越精確。在1973年,Jean Guilloud和Martin Bouyer以電腦CDC 7600發現了π的第一百萬個小數位。
1989年美國哥倫比亞大學研究人員計算出π值小數點後4.8億位數,後又繼續算到小數點後10.1億位數。2010年1月,法國工程師法布裡斯·貝拉將圓周率算到小數點後2萬7千億位。2010年8月,日本計算機奇才近藤茂利用家用計算機和雲計算相結合,計算出圓周率到小數點後5萬億位。一年後,近藤茂又刷新了之前5萬億位的記錄,將圓周率計算到了小數點後10萬億位。
去年圓周率日(3月14日),谷歌工程師Emma Iwao 利用谷歌運算引擎計算出精確度達31.4萬億位的圓周率。而有人可能也會不禁發問了,人類對圓周率π如此痴迷,如今已計算到了小數點後30多萬億位,那它到底有什麼實際作用?
除了我們熟知的圓周率π用來解決圓、球體等幾何問題,其實在其他方面也有不少的應用。比如天文學中關於宇宙可觀測範圍的計算,只要精確到小數點後39位,誤差就不會超過一個原子的體積;又如在計算機信息加密領域,重要的文件資料利用圓周率完全隨機的數字對數據加密,被破解的機率微乎其微;再如測試計算機的性能,π對於計算機來說就像是一把標尺,計算π的數值越精確,計算機的性能就越強。除此之外,它在三角函數、微積分、交流電、無線電傳播計算等多個領域都有著重要的應用。
也有的科學家認為圓周率是宇宙的代碼,它無限不規律的特性和宇宙極為相似,如果能計算出π的數值,人類就能夠揭開宇宙真正的奧秘。
其實到了現在,圓周率算到後面具體是什麼數字已經不重要了,重要的是,小小的一個π,在人類文明發展史中引領著我們不斷探索的步伐,甚至可以說,它反映著人類工具、思想和智慧的進化,更多的是一種不斷思考和不斷追求的精神!