综述
我们经常会看到一些智力测试的题目或者智力比拼的节目,其中常常将圆周率的记忆作为一个检验的指标,虽然看起来和智力没有太多关系,不过确实能够在一定程度上反映出这个人处理数字的能力。
目前的数学研究已经把圆周率算到了62.8万亿位,实在是令人难以想象的数字长度,我们也不禁要问,为什么要计算到这么远的位数呢?有什么意义吗?
圆周率的历史
圆周率是我们在中学数学中就开始接触的知识,它的计算就是用一个圆形的周长与其直径的相除,最后得出的结果就是所谓的圆周率π,这个数字属于数学计算中的一个常数,因为它的比值是恒定不变的,所以我们也就可以依据它来处理很多问题。
你可能觉得这样一个无限不循坏小数应该也只有现代数学才能处理了,但是圆周率的历史其实要比很多人想象的早得多。
早在距今4000年前的古巴比伦时代就已经出现了有关它的记录,比如在一块石匾上就清楚地记录了当时人的计算结果,虽然那个时候的研究水平还相对比较落后,但是已经得到了3.125这样与π十分接近的数字,实在是令人非常惊奇。
而同样年代的古埃及当中,也发现了一份尝试对圆周率给出解释和计算的纸草书,上面给出的结果是3.1605,虽然也存在了差不多0.02的误差,但是明显已经在向更准确的方向靠拢了。
除此之外,很多文化和宗教中的文本里面都对这个数字有过记载,像是古印度的《百道梵书》里甚至给出了3.139这个更靠近准确结果的数字。
此后的历史当中,对圆周率的研究也还在继续进行着,比如我们最熟悉不过的阿基米德在这方面也有着很突出的成绩。
相比于以往的研究历史,它选择了一个更加抽象的方法来切入,因为光是从一个具体的图形中计算这个结果,很难得到那个准确的数字,而理论设计能够实现无限靠近这样的效果。
阿基米德采取的方法今天应该叫作迭代算法和数值逼近,最后取了小数点后面的6位置,得到了3.141851。
中国古代也有着很多杰出的数学家和理论,他们也在生产生活中发现了这个常数的存在,并试图通过各种方式来得到准确的结果,比如在著名的古书《周髀算经》当中,就已经将π值取了整数3。
这之后,汉朝的张衡进一步找到了新的计算方法,并且把这个数字精确到了3.162,误差显然是有的,不过比起整数3已经是一个非常大的跨越了。
在距今一千多年前,数学家刘徽发明了所谓的割圆术,从思考特点上看,非常接近阿基米德使用的数值逼近的方法,所以也就得到了一个更加准确的值,3.1416。
在精确程度上,π值计算的突破应该说首先是在中国取得的,它的创造者就是另一位杰出的数学家,祖冲之。
他在公元5世纪末的时候就已经把圆周率精确到了小数点的后7位,并且准确地描述出了两个重要的近似数,一个是3.1415926,一个就是3.1415927,如果你也背过圆周率,那你应该知道,这个值可以说是准确度极高了。
不断精确的意义
当然,这之后又陆续出现各种新的方法,比如分析法这样的门派,但是直到进入计算机的时代,关于π值的计算才又上升到了一个新的层次,今天这个数字已经精确到了62.8万亿位。
把一个无限不循环小数精确到这个程度的意义是什么呢?很多人其实都是无法理解的,就人类生产生活的经验来看,祖冲之时代的6位精确度已经完全够用了。
而即便是在那些对京都要求非常高的领域,比如航空航天的零部件,也只需要精确到后几百位即可,至少在人类当前的发展阶段,几十万亿这样的精度似乎并没有什么实用价值。
不过这也只是我们外行人的视角,就科学研究来说,他们要处理的不仅仅是宏观层面的问题,还有相当一部分要解决的问题存在于微观的维度上,而在这里,小数点后面几千位几万位的精度是家常便饭。
比如我们需要对一个计算机的性能进行综合的分析的时候,计算圆周率就是一个很好的测试方法,比如计算机的运行速度,算法准确性等等,因为计算机虽然能够比较智能化的处理一些问题,但这些都依赖于人类输入的程序编码,通过这些实验也有助于人类不断完善和开拓算法以及思路。
当然,除了实证研究之外,圆周率的计算也是一种探讨宇宙起源的方式。按照科学家的说法,宇宙中的天体和物质大部分都和圆这个要素有关,而且这个圆越是巨大,对于圆周率的精确度要求就越高。
反过来,我们对圆周率的推算越精准,在某种程度上也是在向一个无限大的存在靠近。
根据定义来说,圆是到一个顶点为某一定长的所有点的集合,我们利用圆规这样的作图工具也能得到一个标准的圆。
然而,一种更加大胆的观点认为,世界上真正的圆形也许根本不存在,它只是一个无限接近圆的n边形,如何证明这一点呢?
很简单,圆既然是一种“正无限多边形”,而无限具体也没有一个固定数值,只能说,当多边形的边数越多也只能无限接近圆,所以圆只能称得上是一种概念性的图形。
结语
不过随着圆周率的不断精确,人们也发现了很多奇妙的排列组合。
我们知道圆周率是一个无限不循环的数字,也就是说任何数学的组合都有可能出现在里面,比如目前发现的,有1到9的顺序排列,根号二小数点后八位,或许有人还能找到自己的电话号码。
所以无限在数学上是一个很难跨越的鸿沟,虽然人们已经能够对无限的数字进行一些处理,但人类仍旧无法真正意义上的接触到它。
来源:张三的科普记