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圆周率前世今生

 绿荫蝉声 2022-03-19
π代表圆周率,即圆的周长与直径之比。在4000多年前,π从制造车轮开始,进入了人类的生活。

“割圆术”
在公元前1900—公元前1600年巴比伦的一块石匾上,清楚地记载着圆周长是直径的3.125倍;在公元前800年的印度宗教巨著《百道梵书》中,圆周率为3.139;公元前200年埃及人认为圆周率是3.1605。
公元前287—公元前212年间,数学家阿基米德首次开创了利用理论计算出圆周率的先河。


阿基米德

他做出单位圆的内接六边形和外切六边形,利用勾股定理,找出圆周率的下界和上界,再把多边形边数加倍成12边形,计算出圆周率的下界和上界,最后找到圆周率的下界和上界分别是在223/71和22/7,取其平均值,他得到的圆周率值是3.141851,他所创始的迭代算法和逼近法,称得上是计算数学的鼻祖。


在圆周率研究中,最引人注意的是中国古代数学家刘徽对“割圆术”的研究。
刘徽是三国时代魏国人,是中国古典数学的奠基者。刘徽的主要著作《九章算术》及《海岛算经》是中国宝贵的数学遗产,其内容反映了他在算术、代数、几何等方面的杰出贡献。


刘徽

刘徽是最早主张用逻辑推理方法论证数学命题的人,也是中国第一个建立理论来推算圆周率的数学家。他首先提出圆的面积公式,即圆面积等于“半圆周长与半径之积”,这个公式的提出很不简单,他所给出的证明更为巧妙。
像亚里士多德一样,他先做了一个10寸的圆,再做出内接正多边形,从6边形开始,依次做内接正12边、24边……,共验证到了3072边形。
更为重要的是,他明确认为“割之又割,以至于不可割,则与圆周合体而无所失矣”。割圆术提出的本身就是创造性的,在无限趋近的方法中,更体现出了极限思想,他不仅推证出了圆面积公式,也同时得到了圆周率的近似值为3927/1250,约为3.1416,这一值被后人称为“徽率”。这是古代数学求圆周率的最简单也是最正确的方法,以这种方法奠定基础,使祖冲之获得了更准确的圆周率值。
公元480年左右,中国天文学家、数学家祖冲之算出圆周率在3.1415926到3.1415927之间,精确到了小数点后的第7位,还得到了两个近似值,即密率为355/113,约率为22/7,精确程度达到了当时世界上的最先进水平。


祖冲之纪念邮票
执着的数学家们
公元1706年,英国数学家威廉·琼斯首次引入希腊字母π来表示圆周率,但是直到1737年,经数学家欧拉引用之后,π作为圆周率的符号才流传开来。
1525年,德国科隆的鲁道夫把π计算到了小数点后的第32位。这32位小数,几乎花费了鲁道夫大半生。为了纪念这位执着的数学家,至今在德国的一些教科书里,还把π值称作鲁道夫常数。


鲁道夫

π从巴比伦人、玛雅人、阿拉伯人、埃及人、中国人、希伯来人中起始,发展了几千年。尽管从未脱离人们的视野,它的神秘面纱却始终没能揭开,似乎它不断地在接近一个“真值”,但究竟有没有这个“真值”?
为了探索这个答案,有人开始找寻其他方法研究π。1593年,代数学家维耶塔独辟蹊径,首次创造了一个新方法,他舍弃了小数或分数,而是以公式来表述π,他找到的这个公式是:
π/2=2/1×2/3×4/3×4/5×6/5×6/7×…
在其中,除了1以外,其余各数无论是分子还是分母,无论是偶数还是奇数,都有规律地出现了两次,所以很好记;又过了70多年,詹姆斯·格里高利和威廉·莱布尼茨先后于1671年和1674年找到了另一个更为精确的表述式:
π/4=1/1-1/3+1/5-1/7+1/9-1/11+…
在这个求和的级数中,每个分子都是1,而分母全是奇数,减、加交替,也非常好记,后来人们把它称做莱布尼茨公式,实际上它是格里高利更早发现的。
由于上述两个公式的出现,人们开始知道了π似乎是一个不可穷尽的数。但是,如果用小数表示, π是否还能有确定的值呢?
到了17世纪末,阿拉伯人用多边形趋近的方法,使π值到达了小数点后的第71位。
1853年出现的结果更为精彩,英国业余数学爱好者威廉·山克斯把π值算到了小数点后的第707位。他花了15年的时间,可惜的是,后来发现在第528位上出现了错误,以至其后的每个数字全部失去了意义。但是山克斯本人并不知道,纠出错误时,他已去世多年。


威廉·山克斯

1882年,瑞士数学家、天文学家兼医生约翰·拉波特给出了一个确定的回答。经他证明,π是一个无理数,既不可能以有限的小数精确表述,也不可能用有限的级数表示。


约翰·拉波特

尽管寻求π真值的路已经被切断,却丝毫没有削弱人们探索π的勇气,值得提到的是印度著名数学家,被称为“印度之子”的斯里尼瓦萨·拉马努金对π的研究。
在他短暂的一生中,拉马努金创建了三千多个公式,关于π的数式就有14条,其中著名的3条公式是:


提出这些公式时,他才23岁,计算π的精确度达到了小数点后的第8位。
为什么人们对π如此穷追不舍?
计算机的出现,使手写笔算π值的方法发生了突飞猛进的变革。1949年,计算机在70小时内把π值计算到小数点后的第2037位;1988年日本计算机科学家金田康正使π达到了小数点后的第2亿位;由于计算机的计算能力与速度以几何级数上升,计算π值纪录被屡屡改写。
到了2013年12月28日,日本系统工程师近藤茂用94天的时间使π值达到第12万亿小数位,更新了2010年由法国技术人员创造的2.7万亿位的纪录,创下了惊人的吉尼斯新纪录。随着超级计算机功能的日益强大,计算机的应用将把获得π值的脚步推到更加白热化的地步!

π值的计算把计算机的功能发挥得淋漓尽致,反过来,π值也在检验着计算机的功能是否强大。如此多位的小数,从来没有循环出现,验证了它的无限不循环特征。
为什么人们对π如此穷追不舍?仅仅是为了好奇?它的意义是否仅限于圆问题呢?除了日常测量,π值在科技的各个角落现身,而其全部神秘性和复杂性也孕育于此。
首先,在几何学、三角学中,π在诸如圆、球和椭圆等许多形状的周长、表面积和体积等计算中频繁出现,似乎并不令人惊奇,但何止于此,π也出现在更高深的数学,如n维空间几何、复变函数、统计学、概率论与数论等许多公式中。
在物理学中,从牛顿力学、麦克斯韦电磁学、热力学、统计物理到爱因斯坦广义相对论,从量子力学到宇宙学,从电子学到电机工程学,到处可见π的身影。无论在宏观、微观乃至宇观世界中,π都扮演着重要的角色。
π也进入了公众的文化生活,有人以π用作语言和记忆的练习。2005年11月20日,中国大学生吕超以24小时4分钟连续不间断并准确无误地背诵π小数点后67891位,创造了吉尼斯世界纪录。

吕超

巴黎科学馆独具创意地专门设立了“π馆”,在圆形大展厅内,四周的墙面上镶以707个硕大的、直通大厅圆形拱顶的木雕数字,这707个数字就是1853年由山克斯计算出来的π值,虽然出现了错误,但依照这个馆的宗旨,即使出现了“错误”,也值得人们去崇敬。
1988年3月14日,在美国旧金山科学博物馆举办了以π为主题的庆祝活动,这是最早的一次大规模庆祝π的活动;2009年美国众议院通过一项不具约束力的决议案,确定当天为“π节”,庆祝的方式是吃π 饼、唱π 歌、诵π诗、讨论π、背诵π或步行3.14千米。


π饼

来源:《科学史上的365天》,略有删改

作者:魏凤文 武轶
部分图源网络
编辑:张润昕
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