傳奇數學家用圓周率π破案 π究竟牛B在哪裡?

2020-12-15 沃遊網

圓周率π是一個非常神奇的數字,它定義為圓形之周長與直徑之比,也是圓形之面積與半徑平方之比。它可能是世界上最具傳奇色彩的無限不循環小數,不僅是眾多數學物理公式的關鍵要素,也曾幫助數學家破獲驚天殺人案,π到底有多牛B?

數學家用圓周率π機智破獲殺人案

伽羅瓦(E.Galois,1811~1832)是數學史上的一位傳奇人物,因與人決鬥而早逝,時年僅21歲。伽羅瓦的生命雖然短暫,卻為數學作出了傑出的貢獻,後來的一些著名數學家們說,他的死使數學的發展被推遲了幾十年。不但如此,關於他還有一個用圓周率破案的傳奇。

據說,伽羅瓦在讀大學時,因思想激進而坐牢。傳說他出獄後去看望在讀大學的老朋友魯柏。女看門人告訴他:「魯柏在兩周前已被人殺死,家裡匯來的巨款也被人捲走。」

晴天霹靂,意外的消息使伽羅瓦大吃一驚。悲痛之餘,他問女看門人:「兇手是誰,警察抓到他了沒有?」

「至今還沒有破案。」女看門人說。

「作案現場有沒有留下什麼線索?」

女看門人告訴他,警察勘察現場時,罪犯什麼痕跡也沒有留下,只看到魯柏手裡緊緊地握著一塊沒有吃完的蘋果餡餅。

「餡餅是我送給魯柏品嘗的。」女看門人說後停頓一下接著說:

「我估計作案人可能就是本公寓內的人。因為案發前我在值班室,沒有發現有陌生人進公寓來。」

這座公寓有四層樓房,每層15間,總共住有100多人。聰明的青年數學家伽羅瓦思索著女看門人所說的情況。最後他提出:

「請您帶我到魯柏的寢室看一看!」

當伽羅瓦經過314號房門前停下來問:「這房間是誰住?」

「是米塞爾。」女看門人答道。

「此人如何?」

「他愛好賭錢,好酗酒,昨天已經搬走了。」

伽羅瓦聽到這裡,果斷地對女看門人說:

「這個米塞爾就是殺人兇手!」

「有什麼證據?」女看門人吃驚地問道。

伽羅瓦分析說:「魯柏遇害時,手裡的餡餅就是一條線索。」

「為什麼?」女看門人問。數學家回答說:

「餡餅,英語叫『pie』。而希臘語『pie』就是『π』。『π』是數學上的圓周率符號,人們在計算時一般取3.14值。魯柏是一位喜愛數學的青年人,他十分機敏,臨死時他想到了利用餡餅來暗示兇手所住的房間,所以他才死死地捏著那塊餡餅不放......」伽羅瓦說。

根據伽羅瓦分析的線索,警方立即開始大搜查,很快抓住了罪犯嫌疑人米塞爾。

經審問,國人證實了伽羅瓦的分析。米塞爾承認因賭博輸了錢,又看到魯柏家裡匯來巨款,遂生殺機。罪犯萬萬沒有想到,連警方都沒有破的案,卻被數學家一眼識破。

 

π究竟牛B在哪裡?

大家或許會好奇,π究竟哪點吸引人了,能夠讓數學家們對它痴迷到如此地步?其實,π本身的存在就是一個奇蹟:不管一個圓有多大,它的周長和直徑之比總是一個固定的數,它就是3.141592653589793…,是一個無限不循環小數。我們把這個數就叫做圓周率,用希臘字母π來表示。在幾何問題中,圓周率扮演著非常重要的角色;然而更神奇的是,它也馳騁於幾何以外的其它數學領域。

 

布豐投針實驗

在地板上畫一系列間距為2釐米的平行線,然後把一根長度為1釐米的針扔在地板上。那麼,這根針與地板上的線條相交的概率是多少呢?1733年,法國博物學家布豐(Comte de Buffon)第一次提出了這個問題。1777年,布豐自己解決了這個問題——這個概率值是1/π。

這個問題可以用微積分直接求解,也能利用期望值的性質得到一個異常精妙的解答。即使我們現在已經能輕易求出它的答案,結論依然相當令人吃驚——在這個概率問題上,竟然也有π的蹤影。有人甚至利用投針法,求出過π的近似值來。

 

斯特林近似公式

我們把從1開始一直連乘到n的結果稱作「n的階乘」,在數學中用n!來表示。也就是說:

1733年,數學家亞伯拉罕?棣莫弗(Abraham de Moivre)發現,當n很大的時候,有:

其中c是某個固定常數。不過棣莫弗本人並沒有求出這個常數的準確值。幾年後,數學家詹姆斯?斯特林(James Stirling)指出,這個常數c等於2π的平方根。也就是說:

這個公式就被稱作斯特林近似公式。

 

伽馬函數

階乘運算本來是定義在正整數上的,但我們可以很自然地把它擴展到所有的正數上——只需要尋找一條經過所有形如(n, n!)的整格點的曲線就可以了。由此定義出來的函數就叫做伽馬函數,用希臘字母Г來表示。好了,神奇的事情出現了。我們有這樣一個結論:

π再次出現在了與幾何毫無關係的場合中!

平方數的倒數和的極限

1的平方分之一,加上2的平方分之一,加上3的平方分之一,這樣一直加下去,結果會怎樣呢?這是一個非常吸引人的問題。

從上表中可以看到,越往後加,得數變化幅度就越小。可以預料,如果無窮地加下去,得數將會無限接近於某一個固定的數。這個數是多少呢?

1735年,大數學家歐拉(Euler)非常漂亮地解決了這一問題。神奇的是,這個問題的答案裡竟然包含有π:

兩個整數互質的概率

如果兩個整數的最大公約數為1,我們就說這兩個數是互質的。例如,9和14就是互質的,除了1以外它們沒有其它的公共約數;9和15就不互質,因為它們有公共的約數3。可以證明這樣一個令人吃驚的結論:任取兩個整數,它們互質的概率是6/π2,恰好是上面一個問題的答案的倒數。在一個純數論領域的問題中出現了圓周率,無疑給小小的希臘字母π更添加了幾分神秘。

 

歐拉恆等式

這是整個數學領域中最偉大,最神奇的公式:

這個公式用加法、乘法、乘方這三個最基礎的運算,把數學中最神奇的三個常數(圓周率π、自然底數e、虛數單位i)以及最根本的兩個數(0和1)聯繫在了一起,沒有任何雜質,沒有任何冗餘,漂亮到了令人敬畏的地步。這個等式也是由大數學家歐拉發現的,它就是傳說中的歐拉恆等式(Euler’s identity)。《數學情報》雜誌(The Mathematical Intelligencer)曾舉辦過一次讀者投票活動,歐拉恆等式被評選為「史上最美的公式」。

然而,這些也都只是數學這個奇妙大世界的其中一角罷了。

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    3月14日,一年一度的圓周率日來臨,這一天也稱為π節(英語π day)。有些人也許在下午1時59分慶祝,以象徵圓周率π的六位近似值3.14159,有的甚至精確到26秒,以象徵圓周率的八位近似值3.1415926;有的以24小時計時在凌晨1時59分或者下午3時9分(15時9分)慶祝。值此今年不同尋常的圓周率π日之際,選個時刻,好好地祝福自己、祝福親友:一「派」安康、一「派」吉祥。這裡用圖文最簡單、最通俗地說一說 π 的基本常識 。
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    今天是3月14日,這是一年一度的圓周率日,世界各地的數學愛好者都會慶祝這一特別的節日。但也有數學家對此潑冷水,他認為用3.141592653…作為圓周率(π)或許是個巨大的錯誤。這可能會讓那些記住了7萬位圓周率小數位的人(目前只有兩人能夠做到)感到詫異,他們或許會最早站出來反對這樣的事情。當然,這並不是說圓周率的具體數值算錯了,也不是說圓周率不是無理數和超越數。根據猶他谷大學數學系系主任Bob Palais教授,應該用2π(記作τ)來作為圓周率更合適。
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