有關圓周率π,你不知道的n個事實

2021-01-19 超級數學建模

數學系沒有

白色情人節


又到了一年一度的白色情人節圓周率日。



看到某記推出「3元派」與數學能力測試的活動,超模君也心痒痒想搞個什麼活動,比如模友答對一個問題,就送一個小天親手做的派。。。



不過,後來想想,小天的手藝經常有時剎不住手,一不小心就會做出諸如下面這種黑暗料理。。。


很有shǐ的feel


為了防止模友被小天做的派噁心到,超模君決定自己動手了,精心準備了一頓名為「關於π你所不知道的N個事實」的大餐,下面各位模友可以盡情享用啦!



總所周知,圓周率自誕生伊始,便與人類「糾纏」了近4000年。


而π,在希臘字母中排行第16位,是希臘語περιφρεια(邊界、圓周之意)的首字母。儘管在四大古文明裡早就有它的身影,但是,π真正作為一個通用常數被重新定義,也不過是近300年的事情。


據史料記載,1631年,π首次出現在數學家威廉奧特瑞德的著作《數學之鑰》中;1706年,英國數學家威廉瓊斯在他編寫的數學教材《新數學導論》裡也提到了π。


不過,此時的π估計還是欠些火候,並沒有引起數學界太大的關注,直至遇到歐拉


1748年,歐拉的代表作《無窮小分析引論》出版,在這本著作裡,歐拉建議用符號「π」來表示圓周率,並且直接在裡面使用了π。


在歐拉的積極倡導下,π終於成為了圓周率的代名詞。




接著,π以它自身的「才華」,非常機靈地植入到各種公式裡 ,就連最美公式「歐拉恆等式」也看到它的身影。



作為一個常數,也許是由於π的定義極其簡單且在數學公式裡隨處可見,π在流行文化中出現的頻率可以說是狂甩其他常數一條街。


自然而然,π節就這樣誕生了。(其他常數只能兩眼淚汪汪)


超模君了解到,最早的一次以π為主題的大型慶祝活動是美國舊金山科學博物館的一位物理學家Larry Shaw組織的。


在1988年3月14日那天,Larry Shaw帶著博物館的員工以及其他參與者,一起繞著博物館的紀念碑轉了22/7(π的近似值)圈,還一起吃水果派、分享與π有關的知識。



此後,每一年的3月14日,舊金山科學博物館都會舉辦π的慶祝活動。


後來,越來越多熱愛數學的人留意到這個特殊的日子,也越來越多的人參與到π節的活動上來。


不過,大家節過多了,肯定也希望能夠幫自己過的節拿個名分,麻省理工學院首先發起了將3月14日定為「國際圓周率日」的倡議。


到2009年3月11日,美國眾議院終於正式通過一項無約束力決議,將每年的3月14日定為「π day」。


然後3141年5月9日(2時6分5秒)就是「終極圓周率日」。



在2010年的圓周率日,谷歌推出了π的Google Doodle,圖中包含了π的定義、π值範圍、圓周長公式與圓面積公式、圓內切以及外切多邊形、球體積公式、圓柱體積公式。。。


2010年3月14日的Google Doodle


其實,這不是谷歌第一次如此「貼心」了,早在2005年穀歌的第一次公開募股中,總共集資40多億美元,A股的發行量是14159265股,這股數就是從π的小數點後的位數得來的。


而著名的排版系統TeX的版本號碼也是十分有趣。自第三版開始,之後的升級都是在小數點後加入一位新的小數,使得它越來越接近π的值,比如,版本3.1,版本3.14,版本3.141……


TeX目前的版本是3.1415926,這說明了TeX系統已經非常穩定,每一次的升級都只是彌補一下那些極小的漏洞。


其發明者——著名的計算機科學家高德納(Donald E. Knuth)就曾表示「(在我過世後的)絕對最後改變』為把版本數改為π,那時任何餘下的漏洞都成程序的點綴了。」


高德納


對π的情結,不僅僅是理工男的專屬,文學家也抵擋不住π的誘惑,一不小心就獨創了一個新的文體——「π體」。


比如邁克·基斯(Mike Keith)所寫的詩《Cadaeic Cadenza》,開頭就是:One/A poem/A raven,每個單詞的字母數就是3、1、4、1、5,剛好與π的近似值3.1415符合,全詩近4000個單詞,都是這樣的形式寫的。。。


可以說是非常合格的π迷了


說到π迷,這又讓超模君想起了日本的「暗黑通信團」,這是由一群瘋狂的理工男組成的神秘組織,這個組織經常出版一些看起來非常牛逼併且書名更加牛逼然而可能並沒有什麼卵用的書籍,比如《素數15萬個》、《自然數e100萬位》、《無限級數集》等等。


作為一群正經的π迷,暗黑通信團對待π當然也是特別的,直接來了個連載雜誌《月刊圓周率》,每個月10萬位的π。。。



為了方便閱讀,暗黑通信團在書的開頭就寫明了數字的排列方式,每頁限定10000位,每行限定100位,即是說,倘若你要找π後面的第12345位,那麼就需要翻到第2頁,然後去第24行找就對了。



也許我你會覺得,這本書簡直無聊至極,但是,你不可否認,這本書作為隨機數表的用處,你隨便翻開一頁,然後拿鉛筆隨便一戳,戳到哪個數字就是哪個數字,簡直隨機到不能再隨機了!


ps順便提一句,這個社團的畫風確實配得起他們名字的:



關於3.14,還有一個令人興奮的事實:愛因斯坦的生日也是這一天


由於愛因斯坦在普林斯頓生活了很長一段時間,因此,在每年的3月14日,普林斯頓都會舉辦很多活動,同時慶祝圓周率日兼愛因斯坦生辰。


除了常規的吃派活動,以及π值背誦比賽之外,在這一天,還有一個愛因斯坦cosplay比賽。


截自普林斯頓πday網站


π決定了河流的曲折程度?


相信大部分模友都聽說過這個說法:地球上所有河流的長度都大致等於從起點到終點直線距離的π倍。人們統計過的河流越多,平均值就越接近π。。。


關於這個說法,超模君之前已經作過論證(傳送門),現實中並沒有這樣的河流。


π的平方與重力加速度g在數值上極其接近。


哇,這就神奇了,嚇得小天趕緊拿計算器算了一下,3.14159²=9.8695877,與g=9.81m/s²還真的就差一點呢。


看到這裡,也許有人就會跳出來說,各星球重力加速度不同、量綱不同,這一看就是巧合啊。


其實,這個巧合是歷史上第一個關於「米」的定義導致的。


在1688年,英國人威爾金斯建議用鐘擺的方法來確定標準長度。然後,在1790年,法國國民議會將「米」定義為:「緯度45度的海平面上半周期為1秒的單擺的擺長」。


那麼,根據單擺的周期公式 


T=2秒,L=1米,就立刻能夠得出g=π²m/s²。


當然,如今的「米」就不是之前的那個「米」了,如今的「米」是指光在真空中1/299792458秒時間間隔內行程的長度。


關於π是否包含了所有可能的數字組合,這個超模君只能回答:看你怎麼想的咯。


圓周長與直徑之比,無窮無盡,永不重複。在這串數字中,包含每種可能的組合。你的生日、儲物櫃密碼、社保號碼,都在其中某處。如果把這些數字轉換為字母,就能得到所有的單詞,無數種組合。你嬰兒時發出的第一個音節,你心上人的名字,你一輩子從始至終的故事,我們做過或說過的每件事,宇宙中所有無限的可能,都在這個簡單的圓中。用這些信息做什麼,它有什麼用,取決於你們。


最後,就再來一首歌,讓各位再感受一下π的無窮無盡吧。


初音未來洗腦歌,圓周率10000位



長達68分鐘的完整版音頻:


無比正經分割線--


既然文章開頭有提到超模君想搞活動,那當然是說搞就搞咯,看完這篇超模君嘔心瀝血連夜寫出來的文章之後,模友可以移步今天第二條圖文參加活動啦啦啦啦,默寫圓周率有獎啦啦啦啦!


來源Toothpastefordinner.com


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