对它的追求一直没有停止

是的,自从圆这个美妙的图形被发现后,人们对\pi的追求就一直没有停止过。

先带大家回顾一下小学的知识:圆的周长与直径的比是一个定值,就是\pi(圆周率),用公式表示就是:\frac{c}{d}=\pi

公元前250年左右,阿基米德通过对圆做一个内接六边形和一个外切六边形,并计算两个六边形的周长,框出了\pi的大概范围:3\lt \pi\lt2\sqrt{3},然后通过不断内接和外切更多边的正多边形,将\pi的值第一次精确到3.14\simeq\frac{22}{7}

中国古代的数学家刘辉在约263年、祖冲之大约在450年的时候,第一次将圆周率精确到小数点后六位(3.1415926和3.1415927之间)。两人使用方法的原理和阿基米德类似,但他们不是用周长近似而是用面积近似,因此才能得到更高的精度。祖冲之还给出了一个容易记忆的近似值:355/113(113355中间断开,一个当分子,一个当分母)。

这个记录保持了1000年左右到了15世纪,此时一位阿拉伯数学家卡西将圆周率算到了小数点后17位。

不过,用这种几何方式来求圆周率到了极限。数学家们要找到更有效的方式去求圆周率。1

差不多到了14世纪中的时候, 印度数学家Madhava第一次用无穷级数来表示了圆周率,这个公式值得写出来,因为它很简单:\frac{\pi}{4} =1-\frac{1}{3}+\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+...=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{{(-1)}^{n-1}}{2n-1}

这位老兄将圆周率一直算到了3.14159265359……及更多。

这个公式有一个很大的问题,就是它收敛起来太慢了。收敛的意思是,要得到某一位精确的圆周率数值,你可能要算几亿次!效率太低:要精确到小数点后10位,需要计算50亿次!

所以,现在数学家们都用更有效率的算法,来计算圆周率。这个算法来自1887年出生的印度数学顶级天才拉马努金(Ramanujan),并由乌克兰裔美国数学家楚德诺夫斯基改进。这个公式也非常值得写出来:\frac{1}{\pi}=12\sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k(6k)!(545140134k+13591409)}{(3k)!(k!)^3(640320)^{(3k+3/2)}}

数学家们用这个公式,借助大型计算机,将圆周率算到了小数点后100 trillion(100万亿)位!

说实话,这么精确的圆周率没有啥实际用途,一般只是用来“炫耀”计算能力而已。

一直以来,数学家们还在寻找更多能表示圆周率的公式。

差不多在10天前,两位印度物理学家(是的,两位物理学家!)在研究弦理论在场论中的拓展时,“意外”发现了一个求解圆周率的新公式,而且速度更快——只要计算30次,就能将圆周率精确到小数点后10位!大家对此都表示欢迎和期盼。

我们先来认识一下这两位老兄,左边是Aninda Sinha,右边是Arnab Saha。

我们来欣赏一下这个公式:\pi=4+\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n!}(\frac{1}{n+\lambda}-\frac{4}{2n+1}  )(\frac{(2n+1)^2}{4(n+\lambda) }-n)_{n-1}.

对这个公式的详细解释已经超出了我的数学范围……有兴趣的同学可以参考两人的这篇论文

今天的数学知识普及就到这里!


  1. 一直到要1760年代,数学家Lambert才证明圆周率是个无理数,也就是不能表示为两个整数相除。 

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