圓周率的故事

2021-03-01 行當三少

   2019年3月14日,谷歌宣布圓周率現已到小數點後31.4萬億位。而這小小的π,已是運算了幾千年了。

   圓周率(Pi)是圓的周長與直徑的比值,一般用希臘字母π表示,是一個在數學及物理學中普遍存在的數學常數。π也等於圓形之面積與半徑平方之比,是精確計算圓周長、圓面積、球體積等幾何形狀的關鍵值。在分析學裡,π可以嚴格地定義為滿足sinx=0的最小正實數x。

   它是一個無理數,即無限不循環小數。

圓周率的開始在公元前3世紀,古希臘的阿基米德就成功利用割圓法求得π的值介於3.14163和3.14286之間,這個數字成功的算對了小數點後三位。而在此之前π的值總是被默認為3。當把 π 定義為周長和直徑的比值後,如何進一步計算圓的面積呢?通過推導,可以得到半徑為 r 的圓的面為 πr^2, 但這個結論又如何被證明呢?我們知道,圓的周長可以被切分為很多狹長的三角形底邊邊長為 b,高度近視為半徑 r. 它們在原內部形成了一個多邊形,而圓的面積又可以近似為這個多邊形的面積,而當我們分的足夠多時,這些多邊形的總面積就會更接近圓的面積,而最後在極限上我們可以得出圓的面積為 πr^2. 而阿基米德最後估算出 π 的值處在 223/71 和 220/70 之間. 正是因為阿基米德,我們有了大家所熟知的 π 的近似值 22/7.

「祖率」的出現

   在中國,圓周率有個更有歷史的別稱「祖率」,這一名稱不僅代表了中國歷史上圓周率的計算有過曾經領先全世界的壯舉,更是表現了不同時代的人們對圓周率的追求。

「祖率」是我國南北朝時期一位傑出的數學家——祖衝之,計算並提出的。祖衝之自幼喜歡數學,在父親和祖父的指導下學習了很多數學方面的知識。一次,父親從書架上給他拿了一本《周髀算經》,這本中國古算書中有「徑一而周三」(也就是圓的周長是直徑的三倍)的記載於是,他就用繩子量車輪,進行驗證,結果卻發現車輪的周長比車輪直徑的3倍還多一點。他又去量盆子,結果還是一樣。他想圓周並不完全是直徑的3倍,那麼圓周究竟比3個直徑長多少呢?

   在經過學習後,他得知漢朝時,張衡得出π約為3.162。這個值雖不太準確,但它簡單易理解。而在公元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,逐次分割一直算到圓內接正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。」這包含了求極限的思想。劉徽給出π=3.141024的圓周率近似值。而這之後,就到了祖衝之發揮的時候了。祖衝之在劉徽創造的用「割圓術」求圓周率的科學方法基礎上,運用開密法,經過反覆演算,求出圓周率為:3.1415927>π>3.1415926。這是當時世界上最精確的數值,他也成為世界上第一個把圓周率的準確數值計算到小數點以後第7位數字的人。他還給出圓周率(π)的兩個分數形式:22/7(約率)和355/113(密率),其中密率精確到小數第7位。他對圓周率數值的精確推算值,對於中國乃至世界是一個重大貢獻,後人將「約率」用他的名字命名為「祖衝之圓周率」,簡稱「祖率」。

另一種演算方式——「蒲豐實驗」

   這是除了割圓法的另外一種求圓周率的方法。在桌子上鋪好一大張白紙後,在其上畫滿一條條相等距離的平行線。然後,準備一大批等長的小針,每根小針的長度都是平行線距離的一半。而實驗者蒲豐做的,就是請大家把這些小針一根一根地往這張白紙上隨便扔。統計的結果是,大家共投擲2212次,其中與直線相交704次,蒲豐這時做了一道除法題:2212÷704≈3.142這個就是著名的「蒲豐實驗」,得到的這個數就是圓周率π的近似值。這同樣是一條求取的小路。

結語

   小小的π已經演算了幾千年,它的「尾巴」還在繼續延伸,就這樣伴著人類的歷史而前進

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    圓周率算法圓周率是數學中最重要的常數之一,現在的計算機可以很輕鬆地計算圓周率數萬億位,在計算機沒有誕生以前,數學家計算圓周率經歷了幾何算法和分析算法,計算效率非常低。比如圓周率在德國又叫做魯道夫數,原因是十七世紀,德國數學家魯道夫·范·科伊倫,在後半生的10多年時間裡,利用幾何算法把圓周率精確到小數點後35位。