為什麼很多數學和物理學公式中都有圓周率?

2020-12-03 火星科普

在歐幾裡德空間中,圓的周長和直徑之比是一個常數,該常數就是我們所說的圓周率π。在很多數學、物理學公式中,都包含了圓周率,例如,正態分布的概率密度函數:

梅欽類公式:

圓周率的萊布尼茨公式(無窮級數):

圓周率的拉馬努金公式:

廣義相對論的引力場方程:

庫倫定律:

單擺周期:

簡單來說,之所以很多數學和物理學公式看似與圓形或者球形無關但卻包含圓周率,是因為這些公式往往隱含著對稱性和周期性。無論是具體的圓形或者球形,還是抽象的圓形或者球形,公式中都會涉及到圓周率。

很多模型都會涉及到幾何學,例如,電磁學中的高斯磁定律。為了在數學上進行簡化,很多物理學公式都會假設徑向對稱,這樣自然而然地就會引入與球有關的概念,所以圓周率也就會包含其中。

另一方面,很多公式都具有周期性。根據傅立葉級數可知,任何具有周期性的函數都能展開為由正弦和餘弦函數組成的無窮級數,而三角函數能夠通過單位圓來進行定義,所以傅立葉展開式中必然會包含圓周率。

從另一個更直接的角度來看,物理學和機械工程中經常會涉及到一種常見的偏微分方程——泊松方程。求解這種偏微分方程的常用方法是利用格林函數,而圓周率(形式為1/π)存在於格林函數之中,這就使得很多公式中會包含圓周率。

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    ,這是一個常數,在數學中是非常重要的。這個數是一個無理數,也就說是一個無盡不循環的小數,大約為3.14159……,後面有無數個小數位,永遠也寫不盡。經過數千年的努力,人類已經能夠計算出相當精確的圓周率數值。
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    圓周率π是圓的周長和直徑的比值,這是一個不變的常數。雖然圓周率起源於圓,但它卻出現在很多與圓不著邊際的公式中,比如下面幾個公式:就連愛因斯坦的廣義相對論中也有出現圓周率:廣義相對論是描述引力的理論,宇宙中的引力現象都在廣義相對論的預言之中。那麼,這是否意味著圓周率與宇宙有聯繫呢?粒子的熱運動是無規則的,但它們組成的世界是有序的。
  • 為何很多和圓無關的公式都含有π?答案的盡頭,有宇宙的奧秘
    圓的周長和直徑的比值,就是我們熟悉的圓周率π。π是一個無理數,也是一個重要的常數。在許多數學公式甚至是物理公式中,雖然表面上看起來和圓沒有關係,都含有π這個參數。下面這個公式是廣義相對論的場方程,其中一項就含有圓周率。
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    以拉丁字母π標記的圓周率,其定義就是一個圓的周長相對於其直徑的比。儘管圓是如此地簡單和完美,在生活中更是有舉足輕重的應用,但是眾多先賢對計算π的精確值卻一籌莫展。早在古希臘時期,主流的畢達哥拉斯學派就認為世界上所有的數都是有理數。具有諷刺意義的是,無理數正是畢達哥拉斯的弟子所發現,因為和主流思想相悖,最終被其學派迫害身亡。
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