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如何運算圓周率

生活 更新时间:2024-11-28 12:53:25

如何運算圓周率(如何用圓周率π生成自然常數e)1

從e的極限定義開始:

如何運算圓周率(如何用圓周率π生成自然常數e)2

我們把它看成是r和s兩個變量的實函數,用有理數r/s替換整數n。

如何運算圓周率(如何用圓周率π生成自然常數e)3

r與s的比值越大,對e的近似就越好。

這個表達式可以用子函數f(x)替換r,用子函數g(x)替換s,從而把它重新定義為單變量複合函數。如果f(x)和g(x)是單調的和發散的,并且

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那麼:

如何運算圓周率(如何用圓周率π生成自然常數e)5

現在,如果我們用适當的三角函數賦值f(x)和g(x),例如,我們可以設f(x)=cos(θ),g(x)=sin(θ)。當θ趨于π時,cos(θ)趨于-1,sin(θ)趨于0。雖然函數在θ=π處沒有定義,但我們發現:

如何運算圓周率(如何用圓周率π生成自然常數e)6

為了評估這類表達式的相對收斂速度,我們可以通過将θ替換為π±1/x,然後計算當x趨于無窮時的表達式,從而得到它們各自的幂級數。在這種情況下,當θ向右接近π時,我們有一個一階近似:

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輸入π的前32位:

3.1415926535897932384626433832795

得到e的前32位:

2.7182818284590452353602874713526

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  • cot(θ)函數圖

現在我們看看讓函數f(x)=cot(θ),g(x)=tan(θ)會發生什麼。當θ向右趨于π時,cot(θ)趨于負無窮,tan(θ)趨于0。當θ向左趨于π時,cot(θ)趨于正無窮,tan(θ)趨于0。将這些函數代入,并使用三角恒等式:

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從左接近π,得到一個二階近似:

如何運算圓周率(如何用圓周率π生成自然常數e)10

輸入π的前32位:

3.1415926535897932384626433832795

得到e的前64位:

2.718281828459045235360287471352662497757247093699959574966967627

下面的一階表達式有一個有趣的性質,它除了收斂于e之外( θ→π時),在5π/4處收斂于根号2,在3π/2處收斂于1。

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如何運算圓周率(如何用圓周率π生成自然常數e)12

  • 三維散點圖顯示了7π/4 < θ < 11π/4的虛分量。複區域的模量在θ→2π時趨近于e。它在θ = 3π/4處無定義,在θ = 7π/4在π和2π處有可移奇點。

另外,三角函數替換并不是唯一方法。例如,隻需稍加操作,我們就可以得到這個無限乘積:

如何運算圓周率(如何用圓周率π生成自然常數e)13

當然,用π來計算數字e不是很實用。如果有筆和紙,那麼用無窮級數會容易得多。盡管如此,這些表達式在幾個世紀以來一直令數學家着迷,兩個數字之間竟有一種意想不到的聯系。

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