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除了用“正多边形逼近圆”的“割圆术”,还有哪些计算π的方法?

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众所周知,圆周率是圆周长与直径的比值,而且是一个无理数,更进一步的说是一个超越数。由于计算的需要,古今中外的数学家从未停止对圆周率的计算,其中主要有7类方法:割圆术、分析法、沙-波法、椭圆积分法、概率法等。其中级数法、反正切方法属于分析法。

割圆术

割圆术的流程是通过作圆的内接或外切正多边形,计算多边形的周长或面积,再将正多边形的边数增加一倍,算出其周长或面积;再增加,再计算……;随着边数的增加,多边形的周长和面积就越接近圆的周长和面积,由此求得的圆周率也更精确。其中中国古人,用圆内接正多边形逼近圆求圆周率;西方则通过内接于外切正多边形两面“夹攻”,用算术平均近似圆周率;有的通过周长,有的通过面积。

刘徽

连分数

使用连分数计算圆周率的人很少,可能是因为计算量大。比如布朗开罗的连分数

级数

级数法是通过幂级数的展开,得到关于圆周率的解析式,属于分析法。最早由莱布尼茨得到一个解析式,之后欧拉、马庭等等数学家,获得了大量的该类解析式,其收敛的速度有快与慢。

更多级数方法、反正切方法公式,可参考:圆周率的计算依据是什么?该文中搜罗了大量级数类的公式和反正切的公式。由于新的相关内容的获得,所以做一个分类补充。

反正切式

使用最多的是反正切式,如维加在1789年发表的公式

沙-波法

“沙-波法“即“相关二次算法”,也叫“高斯-沙朗明-伯伦特法”。1976年,欧仁·沙拉明在《计算的数学》第30卷上,发表了重要论文《利用算术平均数与几何平均数计算π值的新方法》。理查德·波伦特于同年独立发现了类似的新方法。该算法是基于算术一几何平均值,和某些在19世纪原属于高斯的思想,但高斯没有将其与π的计算相联系。算法产生的近似值收敛速度,比任何经典公式都快得多。

之后又以此派生出其他的一些算法,都极大地提高了运算速度。

椭圆积分法

椭圆积分法建立在椭圆积分变换的理论上,首个使用的人是印度传奇的天才数学家拉马努金,他在1914年《模方程和π的逼近》一文中,给出了14个算π公式。其中之一,是关于椭圆积分变换理论和π的快速逼近之间,联系紧密而优美的“拉马努金公式”:

但拉马努金只给出了一些不充分的解释,并没有给出公式的证明。直到1987年,才由乔纳森·波尔文和彼德·波尔文给出证明。1985年之后,椭圆积分法为一大批计算机算圆周率提供了新方法,多次刷新纪录。

拉马努金

布丰投针

18世纪法国数学家布丰和勒克莱尔提出的投针问题,记载于布丰1777年出版的著作中:

在一平面上画有一组间距为d的平行线,将一根长度为l(ld)的针任意投掷到这个平面上,求此针与任一平行线相交的概率。

布丰证明了该针与任意平行线相交的概率为

基于此公式,可用概率方法得到圆周率的近似值。将投针试验重复进行多次,并记下相交的次数,从而得到p的值,即可算出π的近似值。

这类方法的计算效率,看操作就一目了然了。不借助计算机,投针是一个很无聊的工作,即便如此,还真有人做过尝试:

1850年,一位叫沃尔夫的人在投掷5000多次后,得到π的近似值为3.1596;1855年,英国史密斯投了3200次,得到的π值为3.1553。另一英国人福克斯投掷了仅1100次,却得到了精确的3.1419;用这种方法得到最好结果的是意大利人拉泽里尼,在1901年投掷了3408次针,得到的圆周率近似值精确到6位小数。比丰投针问题是第一个用几何形式表达概率问题的例子,开创了使用随机数处理确定性数学问题的先河。

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