圓周率的計算依據是什麼?

2021-01-19 究盡中學數學

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。

相關焦點

  • 超級計算機一直計算除不盡的圓周率,是在等什麼?
    圓周率π我相信大家都非常的熟悉,它是一個無限不循環的數字,一般我們在數學計算的時候就是取的近似值3.14,看似好像這已經成為事實,但實際上關於圓周率的挑戰還在繼續,比如在很多節目上有些小朋友可以背到圓周率的幾百位,幾千位,但是不管怎麼樣,圓周率始終都是無限的,那為什麼超級計算機還要不停的計算呢?這樣到底有什麼用處呢?
  • 圓周率計算已經達到數萬億位,為何數學家還在繼續計算圓周率?
    計算圓周率是數學家的興趣,也能檢驗計算機的綜合性能。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。
  • 圓周率π的計算曆程
    德國數學史家康託說:「歷史上一個國家所算得的圓周率的準確程度,可以作為衡量這個國家當時數學發展水平的指標。」直到19世紀初,求圓周率的值應該說是數學中的頭號難題。為求得圓周率的值,人類走過了漫長而曲折的道路,它的歷史是饒有趣味的。我們可以將這一計算曆程分為幾個階段。  通過實驗對 π 值進行估算,這是計算 π 的的第一階段。
  • 中國古代圓周率π的計算史:祖衝之和圓周率的高效計算
    本課程介紹中國古代圓周率的計算史。首先從劉徽割圓術講起,通過介紹割圓術的算法思想和計算方法,以及劉徽不等式的證明,探尋其中所蘊含的對現代數學影響巨大的數學思想。接著介紹了祖衝之對於圓周率的高效運算和他所得到的的高精度結果。由於記載著他的方法的《綴術》失傳,後世學者為探索其可以精確的計算圓周率結果的方法,做出了各種各樣的嘗試,本課程也一一進行了簡單介紹。
  • 科學家為何要一直計算圓周率,它究竟隱藏著什麼秘密?
    ,相信很多人都能背出小數點之後的幾位數字,拿筆者來說,可以背出「3.141592653」,而在現實中,圓周率已經被計算機成功計算到了31.4萬億倍,可是,圓周率仍然沒有被算盡,它仍然在沒日沒夜的計算之中,很多科學家們也將搞清楚圓周率,當作了自己畢生的事業和追求,希望有生之年,可以揭開圓周率的真相,那麼,為何圓周率令很多科學家和愛好者如此痴迷?
  • 圓周率包含一切接觸的數字,各國努力計算,它存在的意義是什麼
    圓周率可以說是數學中最常見的一種,作為一個無理數,圓周率可以無限不循環。因此,我們也可以說圓周率包含這個世界的萬物,所有用數字可以表達的東西都可以在圓周率中找到答案。此外,作為一個計算圓形單位的比值,圓周率無論在生活中還是科學研究中,都有著眾多的作用。
  • 圓周率π的計算公式
    圓周率π是圓的周長和其直徑的比值,這是一個常數,在數學中是非常重要的。
  • 圓周率已經到了十萬億位了,為什麼還要計算下去?有什麼意義嗎?
    初中的時候,為了顯示到底誰厲害,班裡有兩個同學比賽背誦圓周率。這兩位大神一時間成為了學校裡的明星人物,因為獲勝的一方將圓周率背到了100位以後。那時候,我們一起的同學都有這樣一個疑問,那就是計算圓周率到底有什麼意義呢?
  • 圓周率已被計算到31.4萬億位,是什麼原因,讓科學家如此執著
    圓周率是圓的周長與直徑的比值,一般用π表示,為無限不循環小數,是物理學和數學中普遍出現的常數。對於中小學生來說π=3.14基本可以完成計算,就算是工程師和物理學家在精密計算時,也只需要小數點後幾百個位,那為什麼科學家會如此執著地繼續計算圓周率呢?
  • 圓周率已被計算到31.4萬億位,是什麼原因,讓科學家如此執著
    對於中小學生來說π=3.14基本可以完成計算,就算是工程師和物理學家在精密計算時,也只需要小數點後幾百個位,那為什麼科學家會如此執著地繼續計算圓周率呢?=3.125,幾乎同一時期古埃及文物上記載圓周率約等於3.1605,公元前800到600年古印度書籍中現實圓周率約等於3.139,漢朝時期張衡得出圓周率約等於3.162,公元263年劉徽計算圓周率約等於3.1416,公元480年,祖衝之計算出圓周率約等於3.1415927。
  • 目前圓周率已經達到10萬億位了,那麼計算圓周率有什麼用處?
    圓周率π是周長和直徑的比值,在物理和數學中有著十分重要的地位,但圓周率在一般應用中取3.14就夠了,在高精度的航天和其他領域, 圓周率取到15或者16位就足夠用了,精度完全能滿足需要,圓周率取的越「長」,精度就越高,用40位圓周率計算整個可觀測宇宙大小的話,誤差只有半個氫原子
  • 圓周率π是如何計算得到的
    圓周率是很多人在小學階段就接觸的一個數,關於它的知識可以從小學一直貫穿到無窮盡。
  • 圓周率的7大類計算方法:割圓術、連分數、分析法、概率法
    眾所周知,圓周率是圓周長與直徑的比值,而且是一個無理數,更進一步的說是一個超越數。由於計算的需要,古今中外的數學家從未停止對圓周率的計算,其中主要有7類方法:割圓術、分析法、沙-波法、橢圓積分法、概率法等。其中級數法、反正切方法屬於分析法。
  • 論圓周率:計算圓周率小數點後無窮位有啥意義?
    論圓周率:計算圓周率小數點後無窮位有啥意義?時間:2016-08-01 18:48   來源:未知   責任編輯:沫朵 川北在線核心提示:原標題:論圓周率:計算圓周率小數點後無窮位有啥意義? 在過去的兩千多年來,絞盡腦汁構想方法來計算圓周率一直佔據著世界上最偉大的思想。顯然,這些人肯定不一般。
  • 轉:既然圓周率都算出萬億位,為何超級計算機還不斷計算圓周率?
    雖然圓周率的小數位已經可以精確到很多位之後,但我們通常使用的也就兩位,此時計算圓周長的誤差大約為0.05%,這已經滿足一般精度。如果取五位,誤差將會降到0.000084%。NASA科學家表示,即便在精度要求極高的航天領域,他們也只會用到圓周率小數點後的15至16個位。在理論物理學中,與圓周率有關的基本常數計算也只會用到前32位。
  • 科學家用超級計算機計算圓周率,到底有什麼意義?真能算出來嗎?
    科學家用超級計算機計算圓周率,到底有什麼意義?真能算出來嗎?相信大家多少都知道點圓周率,作為一個常數,因我們無法估量它的正確值,所以就用一個字母π來代替,圓周率被發現的時候轟動了整個數學界,它的影響一直延續到今天。
  • 圓周率到底有什麼作用?
    圓周率到底是什麼?稍微學過數學的人都知道圓周率就是圓的周長除以圓的直徑,大約是3.14,用π表示,我國的祖衝之是最早將圓周率計算到小數點後七位的數學家。,要像算的這個容器的容量,就需要用到圓周率,祖衝之利用他算得的圓周率,計算出了這種容器的體積,利用自己的數值校準了數值,方便了人們的日常生活。
  • 圓周率是如何計算的?祖衝之的『綴術』居然失傳了
    圓周率π是一個十分重要的數,也是一個很神奇的數。從古希臘時代開始,由於科學研究和工程技術的需要,圓周率的計算就一直沒有停止過。直到今天,圓周率依然是檢驗計算機計算能力的方法之一。日本某個無聊的出版社居然出了一本一百萬位的圓周率的書《円周率1000000桁表》,全書只有一個數字:π。你知道人們最開始是如何計算圓周率的嗎?
  • 圓周率都算到十萬億位了,為什麼還要計算?到底有什麼用?
    我相信你對圓周率很熟悉,因為它是一個無限的不循環數,所以當我們使用它時,我們只能用「π」來代替,或者近似於3.14。但是,我們不要看已經認定了這個事實,但是關於圓周率仍然有許多挑戰。不要說孩子們能背誦多少個數字。即使是超級計算機也在日夜計算。這有什麼用?
  • 用Python完成帶進度條的圓周率計算
    一、圓周率π的簡介   圓周率用希臘字母 π(讀作pài)表示,是一個常數(約等於3.141592654),是代表圓周長和直徑的比值。它是一個即無限不循環小數,在日常生活中,通常都用3.14代表圓周率去進行近似計算。