眾所周知,圓周率是圓的周長與直徑的比值。在古代的數學史上,圓周率的研究和計算一定程度上反應了當時的數學水平。古希臘阿基米德,阿拉伯的卡西,古印度阿耶波多,古代中國祖衝之和劉徽等等數學家,都致力於圓周率的研究和計算,先後給出了圓周率的估值。劉徽等人使用的是割圓術:使用內接於圓的正多邊形逼近圓,多邊形的邊數越多,其周長與面積也越接近圓。思路很簡單,但其計算量是個不小的挑戰。也似乎在計算前,缺少了對計算的論證。不同於古代正多邊形的估算,現代藉助計算機,已經可以求得的圓周率達到了驚人的位數,2019年3月14日,谷歌宣布圓周率已到小數點後31.4萬億位。那麼現代計算的依據是什麼呢?
圓周率是無理數1737年,歐拉證明了e是無理數;蘭伯特根據歐拉的工作證明:如果x是非零有理數,那麼e^x和tanx都不是有理數。再根據此結果,由tan(π/4)=1,可得到π/4不是有理數,因此圓周率是無理數。
圓周率是超越數勒讓德首先猜測圓周率可能不是有理係數方程的根,勒讓德的猜測促進了無理數的分類。任何有理係數多項式代數方程的任何一個根叫做一個代數數。即方程
的根叫做代數數,其中係數a是有理數。而那些不是代數數的數叫做超越數。
1873年,法國數學家埃爾米特給出了自然常數e的超越性的證明,1882年,德國數學家林德曼證明了π也是超越數。但是e+π是不是無理數、超越數還有待確定,歐拉常數是不是無理數也同樣有待確定。
圓周率的計算公式維加於1789年發表公式:
歐拉-維加公式:
歐拉公式:
克拉森公式:
盧瑟福公式(1841):
高斯公式:
達澤公式:
布賽爾公式:
艾斯克託公式(1896):
肖魯茲公式(1844):
斯特姆公式:
山克斯公式(1853):
赫頓:
馬庭(1706):
上述公式只是部分成果,而且除了正切反函數表示的公式外,也有一些使用正弦、餘弦的反函數的圓周率公式。再使用正切反函數的級數展開式,通過計算機來計算圓周率。由於上述公式的收斂速度有快有慢,圓周率的計算會選擇收斂較快的公式。因此歐拉和馬庭公式使用的更多一些。
圓周率的級數表達萊布尼茨(1673):
歐拉:
歐拉:
歐力斯(1656):
松永良弼:
牛頓:
牛頓:
烏衣塔:
夏普(1705):
馬庭(1706):
1673年,萊布尼茨找到圓周率的一個級數表示形式,結束了人工計算圓周率的工作,開啟了計算機計算圓周率的時代。當然了,萊布尼茨的級數收斂速度是偏慢的。藉助計算機,圓周率的計算位數也在不斷的刷新,很多時候都用來測試計算機的性能。