南北朝时祖冲之算出圆周率π的近似值在3.1415926和3.1415927之间,并提出圆周率的约率为22/7。但是π的近似值22/7并不精确,甚至可以说很不精确,但能用如此简单的分数来近似表示,这已经很不错了。由于我们知道π无法确切表示成一个分数,所以如何将它计算到非常高的精度其实并不是那么显而易见。数学家使用了很多巧妙的公式来表示π的精确值,他们都是精确的,并且都用到了一些不断进行、直到永远的过程,而只要在“永远”之前的某一步停下,我们便能得到一个π的近似值。
事实上,数学给我们提供的选择多不胜收,因为π的魅力之一正在于它会出现在大量各式各样的美丽公式中,他们常常是无穷级数、无穷乘积或无穷分数(用省略号…表示)——这应该毫不奇怪,毕竟π没有简单的有限表达式,除非你使用微积分,下面是几个精彩的例子。
首先是π最早的一批表达式之一,由弗朗索瓦·韦达在1593年发现。他与\(2^{n}\)边形有关:
接下来一个是约翰·沃利斯在1655年发现的:
在约1675年,詹姆斯·格雷果里和戈特弗里德·莱布尼兹都发现了:
它收敛的太慢,对计算π没有什么帮助;也就是说,想借此得到一个很好的近似值,需要用到太多项。不过,一切与此密切相关的级数在18和19世纪被人们用来计算π的前几百位小数。在17世纪,布龙克尔勋爵发现了一个无穷“连分数”:
欧拉也发现了如下一堆公式:
(顺便一提,似乎没有公式基于
这很让人困扰,至今没有得到解释。特别是,这个和不是任何简单有理数乘以\(\pi ^{3}\)。我们已经知道这个序列的和是无理数。)
对于其他公式,我们将使用求和符号。这样我们可以将公式以更简洁的形式写出,比如前面有关\(\pi ^{2}/6\)的无穷级数可改写成:
让我将各部分说明一下。求和符号∑是希腊字母西格玛的大写,表示将它右边的所有数,这里是\(1/n^{2}\),加在一起。∑下面的“n=1”表示我们从n=1开始加起,而根据惯例,n是依次增加的正整数。∑上方的∞表示“无穷”,告诉我们一直加这些数,直到永远。所以它与前面看到的无穷级数是一回事,只是换了个说法:对于n=1,2,3,…,将项\(1/n^{2}\)相加。
在约1985年,乔纳森·博温和彼得·博温兄弟发现了以下级数:
他收敛得极快。1997年,戴维·贝利、彼得·博温和西蒙·布卢夫,发现了一个前所未见的公式:
它有什么特别之处?它允许我们计算π的具体某一位,而无需先计算前面的那些位,唯一美中不足的是,他给出的不是π的十进制表示,而是16进制表示,(由此进而可得到相应的八进制十进制二进制表示)。1998年,法布里斯·贝拉尔利用改进后的公式计算出π的十六进制表示的第1000亿为9,在接下来的两年里,这一纪录被提高到了16进制表示的250万亿位(二进制表示的1000万亿位)。
截至本书写作时,π的十进制表示的记录是由金田康正及其同事保持的,他们在2002年计算出了π的前12411亿位。
来源:《数学万花筒(修订版)》,[英]伊恩·斯图尔特著,张云译,人民邮电出版社。
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