有人證明出π=4,這是什麼鬼?

2021-02-15 果殼

在數學領域,π可能是最招人喜歡的一個數。有人玩命地背誦它的小數部分;有人用它寫歌;有人把它設為紀念日;有人沒事就拿它造謠。比如說網上經常能看見「π=4」的神奇證明,就常常讓人不明覺厲。

這個證明的漏洞在哪裡呢?其實方形的邊無論切分成多少個階梯,都不可能和圓弧完全重合,而這些直角的邊其實都能還原為之前的方形。

圖 | TheOdd1sOut

大家或許會好奇,π 究竟哪點吸引人了,能夠讓大家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。

>> 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。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。

>> 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」,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

>> 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。

撰文:matrix67

編輯:大琳砸

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