數學家是如何計算出的, 是怎麼算出來的?請問各位大師

時間 2021-07-22 23:26:38

1樓:科普中國

縱觀π的計算方法,在歷史上大概分為實驗時期、幾何法時期、解析法時期和電子計算機計演算法幾種。我們都知道圓周率(pi)是圓的周長與直徑的比值,一般用希臘字母π表示,是一個在數學及物理學中普遍存在的數學常數。

實驗時期:約產於公元前2023年至2023年的一塊古巴比倫石匾上記載了圓周率 = 25/8 = 3.125,而埃及人似乎更早的知道圓周率,英國作家 john taylor (1781–1864) 在其名著《金字塔》中指出,造於公元前2023年左右的胡夫金字塔和圓周率有關。

例如,金字塔的周長和高度之比等於圓周率的兩倍,正好等於圓的周長和半徑之比。

幾何法時期:古希臘大數學家阿基米德(公元前287–212 年)開創了人類歷史上通過理論計算圓周率近似值的先河。在他的《圓的度量》一書中首先採用「窮竭法」計算π值,所謂「窮竭法」就是從單位圓出發,先用內接正六邊形求出圓周率的下界為3,再用外接正六邊形並藉助勾股定理求出圓周率的上界小於4。

接著,他對內接正六邊形和外接正六邊形的邊數分別加倍,將它們分別變成內接正12邊形和外接正12邊形,再借助勾股定理改進圓周率的下界和上界。他逐步對內接正多邊形和外接正多邊形的邊數加倍,直到內接正96邊形和外接正96邊形為止。最後,他得出3.

141851 為圓周率的近似值。

這種方法隨後被2位中國古代數學家發揚光大。公元263年,中國數學家劉徽用「割圓術」,求出3072邊形的面積,得到令自己滿意的圓周率≈3.1416。

而南北朝時期的數學家祖沖之進一步求出圓內接正12288邊形和正24576邊形的面積,得到3.1415926<π<3.1415927的精確值,在之後的800年裡祖沖之計算出的π值都是最準確的。

解析法時期:這是圓周率計算上的一次突破,是以手求π的解析表示式開始的。法國數學家韋達(1540-2023年)開創了一個用無窮級數去計算π值的嶄新方向。

這一時期人們開始利用無窮級數或無窮連乘積求π,擺脫可割圓術的繁複計算。無窮乘積式、無窮連分數、無窮級數等各種π值表示式紛紛出現,使得π值計算精度迅速增加。2023年,英國數學家梅欽率先將π值突破百位。

到2023年英國的弗格森(d. f. ferguson)和美國的倫奇共同發表了π的808位小數值,成為人工計算圓周率值的最高紀錄。

計算機時期:自從第一臺電子計算機eniac在美國問世之後,立刻取代了繁雜的π值的人工計算,使π的精確度出現了突飛猛進的飛躍。2023年,美國人賴脫威遜利用eniac計算機花了70個小時把π算到2034位,一下子就突破了千位大關,2023年,一臺快速計算機竟在33個小時內。

把π算到10017位,首次突破萬位。技不斷進步,電腦的運算速度也越來越快,在60年代至70年代,隨著美、英、法的電腦科學家不斷地進行電腦上的競爭,π的值也越來越精確。在2023年,jean guilloud和martin bouyer以電腦cdc 7600發現了π的第一百萬個小數位。

2023年10月16日,日本長野縣飯田市公司職員近藤茂利用家中電腦將圓周率計算到小數點後10萬億位,重新整理了2023年8月由他自己創下的5萬億位吉尼斯世界紀錄。56歲的近藤茂使用的是自己組裝的計算機,從10月起開始計算,花費約一年時間重新整理了紀錄。

2樓:源源源

我國古代在圓周率的計算方面長期領先於世界水平,這應當歸功於魏晉時期數學家劉徽所創立的新方法——「割圓術」。

所謂「割圓術」,是用圓內接正多邊形的周長去無限逼近圓周並以此求取圓周率的方法。這個方法,是劉徽在批判總結了數學史上各種舊的計算方法之後,經過深思熟慮才創造出來的一種嶄新的方法。

中國古代從先秦時期開始,一直是取「周三徑一」的數值來進行有關圓的計算。但用這個數值進行計算的結果,往往誤差很大。正如劉徽所說,用「周三徑一」計算出來的圓周長,實際上不是圓的周長而是圓內接正六邊形的周長,其數值要比實際的圓周長小得多。

東漢的張衡不滿足於這個結果,他從研究圓與它的外切正方形的關係著手得到圓周率。這個數值比「周三徑一」要好些,但劉徽認為其計算出來的圓周長必然要大於實際的圓周長,也不精確。劉徽以極限思想為指導,提出用「割圓術」來求圓周率,既大膽創新,又嚴密論證,從而為圓周率的計算指出了一條科學的道路。

在劉徽看來,既然用「周三徑一」計算出來的圓周長實際上是圓內接正六邊形的周長,與圓周長相差很多;那麼我們可以在圓內接正六邊形把圓周等分為六條弧的基礎上,再繼續等分,把每段弧再分割為二,做出一個圓內接正十二邊形,這個正十二邊形的周長不就要比正六邊形的周長更接近圓周了嗎?如果把圓周再繼續分割,做成一個圓內接正二十四邊形,那麼這個正二十四邊形的周長必然又比正十二邊形的周長更接近圓周。這就表明,越是把圓周分割得細,誤差就越少,其內接正多邊形的周長就越是接近圓周。

如此不斷地分割下去,一直到圓周無法再分割為止,也就是到了圓內接正多邊形的邊數無限多的時候,它的周長就與圓周「合體」而完全一致了。

按照這樣的思路,劉徽把圓內接正多邊形的面積一直算到了正3072邊形,並由此而求得了圓周率 為3.14和 3.1416這兩個近似數值。

這個結果是當時世界上圓周率計算的最精確的資料。劉徽對自己創造的這個「割圓術」新方法非常自信,把它推廣到有關圓形計算的各個方面,從而使漢代以來的數學發展大大向前推進了一步。

以後到了南北朝時期,祖沖之在劉徽的這一基礎上繼續努力,終於求得了圓周率為:精確到了小數點以後的第七位。在西方,這個成績是由法國數學家韋達於2023年取得的, 比祖沖之要晚了一千一百多年。

祖沖之還求得了圓周率的兩個分數值,一個是「約率」 ,另一個是「密率」.,其中 這個值,在西方是由德國的奧托和荷蘭的安東尼茲在16世紀末才得到的,都比祖沖之晚了一千一百年。劉徽所創立的「割圓術」新方法對中國古代數學發展的重大貢獻,歷史是永遠不會忘記的。

3樓:雨林小談

很久以前,數學家利用各種演算法包括幾何演算法和分析演算法來計算π值,非常費力,耗費時間長,計算效率低。如今,計算機誕生,計算速度超快,很快能計算出小數點後千萬甚至上億位,效率大大提高,顯然升到更高境界。

數學在發展,未知等待探索,我們仍需努力。

4樓:麋鹿時往前走

如果π指的是圓周率,那麼π值是根據圓的周長與直徑的比計算出來的。因為圓周長與直徑的比是6+2√3比3,所以π值是3.1547005383...

如果π指的是正6x2ⁿ邊率,那麼π值是根據正6x2ⁿ邊形的周長與過中心點的對角線的比計算出來的3.1415926...。

正6x2ⁿ邊率3.1415926...不等於圓周率3.1547005383...。

5樓:直線救鍋

跟計算光速是一樣的,累積了一代又一代的科學家的努力,一個結果出來,另一個結果被推翻。

π是怎麼算出來的?請問各位大師

6樓:

「π」(3.1415)是由我國古代數學家祖沖之的割圓術求出來的。

我國古代數學家祖沖之,以圓的內接正多邊形的周長來近似等於圓的周長,從而得出π的精確到小數點第七位的值。

π=圓周長/直徑≈內接正多邊形/直徑。當正多邊形的邊長越多時,其周長就越接近於圓的周長。祖沖之算得的π值在絕大多數的實際應用中已經非常精確。

π是個無理數,即不可表達成兩個整數之比,是由瑞士科學家約翰·海因裡希·蘭伯特於2023年證明的。 2023年,林德曼(ferdinand von lindemann)更證明了π是超越數,即π不可能是任何整係數多項式的根。

圓周率的超越性否定了化圓為方這古老尺規作圖問題的可能性,因所有尺規作圖只能得出代數數,而超越數不是代數數。

65年,英國數學家約翰·沃利斯(john wallis)出版了一本數學專著,其中他推匯出一個公式,發現圓周率等於無窮個分數相乘的積。2023年,羅切斯特大學的科學家們在氫原子能級的量子力學計算中發現了圓周率相同的公式。

7樓:匿名使用者

在數學史上,圓周率π的精確度,始終引起人們極大的關注,併成為衡量一個國家數學發展水平的標誌.縱觀π的計算史,其計算方法大致可分為:幾何法、解析法、實驗法、電子計算機計演算法.

一、幾何法 在公元前240年左右,阿基米德在他的《圓的度量》一書中首先採用」窮竭法」求π的值.「窮竭法」即用圓的內接和外切正多邊形周長逼近圓周長.他作出了正96邊形,並由此得到π的值為

術」即用圓的內接正多邊形的面積逼近圓的面積.他算到了正192邊形

祖沖之在劉徽工作的基礎上,求出圓內接正12288邊形和正24576邊形的面積,得到

3.1415926<π<3.1415927.

祖沖之的π值紀錄,保持了將近一千年.直到公元2023年中亞數學家阿爾·卡西計算了圓內接和外切正3×228邊形的周長後,得到π值的17位小數.公元2023年,德國人魯道夫花費了畢生精力,計算了正262邊形的周長後,得到π的35 位小數值.魯道夫的工作,表明了幾何法求π的方法己走到盡頭.2023年格林貝格(grien berger)用幾何法計算π至 39位小數.這是幾何法的最後嘗試,也是幾何法的最高紀錄.

二、解析法 圓周率計算上的第一次突破,是以手求π的解析表示式開始的.著名法國數學家韋達(1540—1603)做出了開創性的工作.在《數學定律,應用於三角形》一書中,得到了

他計算出3.1415926535<π<3.1415926537.顯然他的π精確度不是當時世界領先水平,但利用一個無窮級數去刻劃π值卻開創了一個嶄新的方向.

2023年,英國聖安德魯大學教學教授格雷戈裡(1638—1675)提出了著名的級數:

但他並未注意到,當x=1時,這一級數為:

格雷戈裡的工作具有普遍性,成為解析法求π值的基礎.在後來的二百多年裡,許多人利用這一公式稍作修改並進行大量計算.不斷重新整理π值的世界紀錄,2023年,英國的梅欽(1680—1751)利用格氏級數及其

破π的百位大關.繼此之後,利用反正切式計算π的公式相繼出現,π的位數也直線上升.2023年1月,英國的弗格森(d.f.fergnson)與美國的倫奇(j.w.wrench)用解析法得到π的 808位準確值,創造了甲級數方法的最高紀錄,結束了用級數方法計算π值的階段.這也是手工計算π的最高紀錄,此後再沒有人用手算與他們較量了.

三、實驗法 2023年法國自然科學家蒲豐(1707—1788)出版了《能辨是非的算術實驗》一書,提出了著名的「蒲豐實驗」:在畫有一組距離為a的平行線的平面上,隨意投下長度為l(l<a)的針.若投

2023年義大利數學家拉茲瑞尼用蒲豐的方法,僅投針3408次就輕鬆地得到π=3.1415929.這與π的精確值相比,一直到小數點後第七位才出現不同.

儘管這一方法遠不如解析法便捷,且π的精確度也大為遜色.但它揭示了分析方法與概率方法之間的聯絡,向人們暗示了數學本質的某種統一性,促使人們深入**π的種種性質.開闢了π研究的新方向.

四、電子計算機計演算法

自從第一臺電子計算機eniac在美國問世之後,立刻取代了繁雜的π值的人工計算,使π的精確度出現了突飛猛進的飛躍.2023年,美國人賴脫威遜利用eniac計算機花了70個小時把π算到2034位,一下子就突破了千位大關,2023年,一臺快速計算機竟在33個小時內。把π算到10017位,首次突破萬位,2023年東京大學的一組數學家曾花了36個小時,在計算機上算出了π的32.3億位小數.但是將前紀錄保待了4年之久的美國數學家丘德諾夫斯基兄弟採用了新方法又獲得了超過40億位數的π.現在人們利用電子計算機將π算到了小數點後42.

9億多.如果把這一串數字列印出來,每釐米列印六個數字,那麼整個數字的長度接近7200千米.比從德國柏林到美國芝加哥的距離還長.

不過電子計算機只是工具,它仍需用解析法的公式,可算是解析法的延伸和發展.其實這時π的計算變成了演算法的精巧構思和機器速度的較量.除了顯示電子計算機威力和檢驗機器效果之外,π的位數已無任何現實價值.

從π的計算可以看出,計算方法的每一次創新,都帶來π的位數的巨大突破,但每一種方法都有上限:幾何法因人們測量誤差而不可能超過百位;解析法又因計算量聚增而侷限於千位之內;實驗法的指導意義大於它的實用價值;電子計算機同樣受機器速度的影響,而不可能無限制地算出π值.

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