π是圓的周長和直徑的比值,數學家已經證明它是一個無理數,也就是說在3.14後面還有無窮無盡、毫無規律的一串數字。這很容易理解。據說已經有人把這個數算到了小數點後幾十億位了。他是怎麼算出來的?
我曾經想過用棉線來測圓的周長和直徑,又一想,不行,棉線有彈性,誤差太大。用彈性不那麼大的鐵絲吧,又很難做到和圓周完全吻合,就算能吻合得很好,鐵絲拉直後測量時,又怎麼能精确到小數點後十位八位的呢?就算測量精确,測出來的也是一個具體值,和另一個具體值--直徑的比值也不是一個無理數呀!
我們來看一看阿基米德和祖沖之的辦法吧:
做一個半徑為r的圓,畫出它的圓内接六邊形和外切六邊形。
這兩個六邊形的周長都很好算。分别是6r和4r。圓的周長必然在這個範圍之内。也就是說,經過第一步的運算,得出了π值
的結論。然後把内接外切六邊形變成正12邊形,24邊形、96邊形……,随着邊數的增加,這兩個多邊形的周長越來越接近圓的周長。利用勾股定理,能算出這些正多邊形的周長。
這是一個繁瑣的運算過程,每個步驟都要用到乘方和開方。不過隻要有足夠的耐心和細緻,用蠻力運算就能做到越來越精确的圓内接六邊形外切六邊形的周長。除以直徑2r就能得到越來越精确的π值了。阿基米德用這個辦法得到了π約等于3.14,祖沖之用這種辦法得到了π大于3.1415926\小于3.1415927的成就,領先了全球1000多年。據推算,要算到正24576邊形兒才能得到這個結果,真是了不起!這種從大、小兩個方向逼近準确值的方法稱為“夾逼法”。
這種算法是嚴格符合π的定義的,得到的π值也是無可争議的。但是随着多邊形邊數的增加,小數的位數越來越多,做平方、開方運算也越來越困難,工作量就像滾雪球一樣越來越大,最終成為一座難以逾越的高山。在手工計算時代,把π再往前推進一步兒都要付出巨大的艱辛。
這時,數學家們發明了一種新的方法,把π用一系列數列的和或者乘積來表示。例如韋達公式:
但這些公式計算起來也并不簡單。更實用的辦法是,利用反正切函數來表示π。例如英國天文學教授約翰·馬青提出的馬青公式 :
斯圖模公式:
等。公式裡的反正切函數,可以用級數來計算,
利用這些公式,憑手工計算,1706年馬青把π值推算到了101位。借助計算機,可以輕易地将π值計算到小數點後成千上萬位。
令人驚訝的是,這些公式和圓、和π根本就扯不上什麼關系,這些公式也各不相同,它們之間也看不出有什麼相通之處,怎麼就算出的數字完全一樣,幾千、幾萬、幾十億位之後,數字還完全一緻,而且正好完全等于π呢?
說π中隐藏着自然之神的秘密,是有道理的。
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