【3.14】圓周率日:π究竟牛B在哪裡?

2021-02-13 南京八佰伴


今天是 3 月 14 日。而圓周率 π 就約等於 3.14,因此這一天被設為了圓周率日。世界各地的數學家和數學愛好者們歡聚一堂,歌頌讚美這個數學世界中的奇蹟。


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 / π 2 ,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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