我们是怎么把π算到小数点后十百千……甚至十亿位的?

作者: 桔子

来源: 果壳少年

发布日期: 2018-03-27

本文讲述了人类如何从古至今计算圆周率π的历史,从最早的古埃及记录到阿基米德的逼近法,再到祖冲之的面积估算法,以及π的无理性证明和计算精度的提升。

π可能是让人类着迷的第一个无理数,尽管那时候他们并不知道,这个数几辈子也写不完。圆周长和圆直径的比例很奇怪,不管这个圆多大或者多小,当我们用周长除以直径时,得到的比例都是一样的,用数学的语言来说,这些圆都“近似”。那么这个比例到底是多少呢?我们能找到最早的关于圆周率的记录,来自古埃及一本叫做《莱因德数学纸草书》的手卷。《莱因德数学纸草书》。图片来源:Steemkr。

这是在大概公元前1650年,一个叫阿姆士的僧侣在纸草上抄的一部数学著作,现在收藏在大英博物馆,还有少量缺失部分被收藏在美国纽约布鲁克林博物馆。这本书里用的圆周率是256/81,大概是3.1605,到3.1都是准确的,实在是了不起了。但在后来漫长的时间里,四大文明古国——古埃及、古希腊、古中国和古印度,都是用3来代表圆周率从而完成周长计算的。正经计算圆周率的历史中,第一个名人是阿基米德。

他生活在公元前大约200多年,他计算圆周率的方法,被简称为“逼近法”。就是计算稍微大于圆周,和略小于圆周的多边形的边长,从而框定圆周的取值范围。阿基米德在圆的内外两侧各加上两个多边形,让多边形不断接近圆来逼近圆周长。多边形的边数越多,两个多边形的周长也彼此接近,框定的范围就越小。最终他用正96边形来逼近圆的周长,证明出π这个值比3.1408大,而比3.1428小,把圆周率准确到3.14。

中国人熟悉的祖冲之也是用近似图形的思路,然而与阿基米德利用周长来测量π不同,祖冲之主要是通过面积来估算圆周率。圆周率的计算在全世界是“多起源”的,而且很长一段时间,大家都觉得π可以用有限小数或循环小数表示,因此想尽办法希望找出π的真正值。虽然现在大家都会知道根号2是无理数,但π的无理性证明就复杂多了,直到1761年才完成。这时人们才死心了,原来π没有“真正值”,是个彻头彻尾的无理数。

同时,π的位数也由于新方法的引入,有了颠覆性的发展:18世纪初,π被算到小数点后100位,19世纪就达到700多位(尽管很多都算错了……)。计算到这么精确的程度,在实际应用中似乎是冗余的。对π的计算可以说是数学史的缩影,数学的发展。正如一场智力游戏,让我们看到了,人类的智慧究竟能达到什么程度。

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