π的魅力与神秘

作者: 伊恩·斯图尔特

来源: 返朴

发布日期: 2020-03-14 08:14:35

本文探讨了π的定义、性质及其在数学和其他领域中的重要性,介绍了计算π的方法和历史,以及π的无理性、超越性和其在几何、统计学、物理学等领域中的应用。

3.1415926...

每年的3月14日也被称为“π日”,这自然是因为π≈3.14。在与圆相关的场景中,我们总是与π这个数学常数不期而遇。不过仔细思考后你可能会发现,我们对π这个大名鼎鼎的无理数可谓是既熟悉又陌生:π是如此重要的数,我们却无法将它写下来;当我们将π的精度计算到上亿位之后,仍然不知道这些数字背后是否隐藏着某种规律……

π是什么数?在计算圆的周长和面积时,我们第一次遇到了π。

假设圆的半径是r,那么其周长等于2πr,面积等于πr²。在几何上,周长和面积这两个量并没有直接关系,所以,在这两个地方都出现了同一个π,其实是相当不寻常的。有一种直观的方法可以理解为什么会这样:先将圆像匹萨一样分割成许多切片,然后把它们重新组成一个近似于长方形的形状。这个长方形的宽约等于圆的周长的一半,即πr,而它的高约为r。因此,它的面积可以近似为πr × r =πr²。

π的前1000位是:3.141592653589793238462643383279502884197169399375105820974944592307816406286208998628034825342117067982148086513282306647093844609。看看这些数字,它们最显著的特点就是完全没有规律。

这些数字看起来是随机的,但事实上不可能,因为它们是π各个数位上的数字,而π本身是一个特定的数。缺乏规律性,更让π这个数显得异常奇特。数学家们猜测,所有有限长度的数字串都会出现在以小数表示的π的某个位置上,甚至会无限多次出现。事实上,人们猜测π是一个正规数,即所有给定长度的数字串会以相同频率在其中出现。这些猜想尚未被证明或证否。

无穷级数中的π也会出现在其他数学领域里。这些领域与圆之间往往没有明显的联系,但总会存在某个间接联系,因为这中间产生了π。同时,这也是其他定义π的方式。因为所有定义都必须得到同一个数,因此,沿着这条线索必然会证明出与圆有关的关系。但是,这种关系可能非常曲折。

如何计算π?2013年,在经过94天的计算之后,近藤茂利用计算机将π算到了12100000000050位小数——超过了12万亿位。

实际使用的π并不需要这种级别的精度。你也不可能用它来测量真实的圆。多年以来,人们有许多计算π的方法,它们都基于π的公式,或是如今用公式表示出的各种过程。人们热衷于做这类计算,他们的理由是为了了解这些公式的表现情况,或者确认新计算机的性能。但实际上,大家更多是为了打破纪录。一些数学家沉迷于计算π的更多位数,只是因为它们“存在”,这就好像山峰与登山者之间的关系。

这种痴迷于“打破纪录”的行为并不是典型的数学研究,其本身几乎没什么意义和实用价值,但通过这类活动,人们发现了一些全新的迷人公式,并揭示出了数学和其他领域之间一些意想不到的联系。

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