π=3.1415926是怎么计算出来的?
在数学史上,圆周率π的精确度,始终引起人们极大的关注,并成为衡量一个国家数学发展水平的标志.纵观π的计算史,其计算方法大致可分为:几何法、解析法、实验法、电子计算机计算法.
一、几何法 在公元前240年左右,阿基米德在他的《圆的度量》一书中首先采用”穷竭法”求π的值.“穷竭法”即用圆的内接和外切正多边形周长逼近圆周长.他作出了正96边形,并由此得到π的值为
术”即用圆的内接正多边形的面积逼近圆的面积.他算到了正192边形
祖冲之在刘徽工作的基础上,求出圆内接正12288边形和正24576边形的面积,得到
3。 1415926<π<3。1415927.
祖冲之的π值纪录,保持了将近一千年....全部
在数学史上,圆周率π的精确度,始终引起人们极大的关注,并成为衡量一个国家数学发展水平的标志.纵观π的计算史,其计算方法大致可分为:几何法、解析法、实验法、电子计算机计算法.
一、几何法 在公元前240年左右,阿基米德在他的《圆的度量》一书中首先采用”穷竭法”求π的值.“穷竭法”即用圆的内接和外切正多边形周长逼近圆周长.他作出了正96边形,并由此得到π的值为
术”即用圆的内接正多边形的面积逼近圆的面积.他算到了正192边形
祖冲之在刘徽工作的基础上,求出圆内接正12288边形和正24576边形的面积,得到
3。
1415926<π<3。1415927.
祖冲之的π值纪录,保持了将近一千年.直到公元1427年中亚数学家阿尔·卡西计算了圆内接和外切正3×228边形的周长后,得到π值的17位小数.公元1610年,德国人鲁道夫花费了毕生精力,计算了正262边形的周长后,得到π的35 位小数值.鲁道夫的工作,表明了几何法求π的方法己走到尽头.1630年格林贝格(Grien berger)用几何法计算π至 39位小数.这是几何法的最后尝试,也是几何法的最高纪录.
二、解析法 圆周率计算上的第一次突破,是以手求π的解析表达式开始的.著名法国数学家韦达(1540—1603)做出了开创性的工作.在《数学定律,应用于三角形》一书中,得到了
他计算出3。
1415926535<π<3。1415926537.显然他的π精确度不是当时世界领先水平,但利用一个无穷级数去刻划π值却开创了一个崭新的方向.
1671年,英国圣安德鲁大学教学教授格雷戈里(1638—1675)提出了著名的级数:
但他并未注意到,当x=1时,这一级数为:
格雷戈里的工作具有普遍性,成为解析法求π值的基础.在后来的二百多年里,许多人利用这一公式稍作修改并进行大量计算.不断刷新π值的世界纪录,1706年,英国的梅钦(1680—1751)利用格氏级数及其
破π的百位大关.继此之后,利用反正切展开式计算π的公式相继出现,π的位数也直线上升.1948年1月,英国的弗格森(D.F.Fergnson)与美国的伦奇(J.W.Wrench)用解析法得到π的 808位准确值,创造了甲级数方法的最高纪录,结束了用级数方法计算π值的阶段.这也是手工计算π的最高纪录,此后再没有人用手算与他们较量了.
三、实验法 1777年法国自然科学家蒲丰(1707—1788)出版了《能辨是非的算术实验》一书,提出了著名的“蒲丰实验”:在画有一组距离为a的平行线的平面上,随意投下长度为l(l<a)的针.若投
1901年意大利数学家拉兹瑞尼用蒲丰的方法,仅投针3408次就轻松地得到π=3。
1415929.这与π的精确值相比,一直到小数点后第七位才出现不同.
尽管这一方法远不如解析法便捷,且π的精确度也大为逊色.但它揭示了分析方法与概率方法之间的联系,向人们暗示了数学本质的某种统一性,促使人们深入探讨π的种种性质.开辟了π研究的新方向.
四、电子计算机计算法
自从第一台电子计算机ENIAC在美国问世之后,立刻取代了繁杂的π值的人工计算,使π的精确度出现了突飞猛进的飞跃.1949年,美国人赖脱威逊利用ENIAC计算机花了70个小时把π算到2034位,一下子就突破了千位大关,1955年,一台快速计算机竟在33个小时内。
把π算到10017位,首次突破万位,1996年东京大学的一组数学家曾花了36个小时,在计算机上算出了π的32。3亿位小数.但是将前纪录保待了4年之久的美国数学家丘德诺夫斯基兄弟采用了新方法又获得了超过40亿位数的π.现在人们利用电子计算机将π算到了小数点后42。
9亿多.如果把这一串数字打印出来,每厘米打印六个数字,那么整个数字的长度接近7200千米.比从德国柏林到美国芝加哥的距离还长.
不过电子计算机只是工具,它仍需用解析法的公式,可算是解析法的延伸和发展.其实这时π的计算变成了算法的精巧构思和机器速度的较量.除了显示电子计算机威力和检验机器效果之外,π的位数已无任何现实价值.
从π的计算可以看出,计算方法的每一次创新,都带来π的位数的巨大突破,但每一种方法都有上限:几何法因人们测量误差而不可能超过百位;解析法又因计算量聚增而局限于千位之内;实验法的指导意义大于它的实用价值;电子计算机同样受机器速度的影响,而不可能无限制地算出π值.
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