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祝你3.14圓周率節快樂!
2015/03/13 07:23:16瀏覽5793|回應6|推薦48

這個星期六早上9:26你要做什麼?建議你把這段時間空下來,因為這一天是2015年3月14日,那個時刻可以寫成3.14.15 9:26。覺得面熟嗎?對啦,這就是圓周率π =3.1415926...!每年的3月14日是「圓周率節」(Pi Day),今年正逢20“15”年,是一世紀只有一次的特別圓周率節,當然要親朋好友團聚,大吃這個節日的傳統食物:一個又大又圓的派(pie)!

(圖片來源:維基百科)

如果有人基礎數學已經還給老師,趕快複習一下:圓周率是圓形的周長與直徑的比:

這個數字對人類文明太重要了,若是沒有準確的圓周率,做出來的圓形物體就有誤差,更何況圓形代表「完美形狀」,古人甚至認為它有神聖的含義。圓周率對今天的我們更重要,因為它是所有圓周、簡諧運動的基礎,任何和頻率有關的事物(振動、通訊、影像...)都和它有關,如果圓周率有明顯誤差,你的電話、電腦不過是個廢物。


生活中的許多事物都是周期性的,都和圓周率脫不了關係。(圖片來源:維基百科)

人類文明初期就發現不論大圓小圓,周長與直徑的比例都一樣。西元前兩千年前的巴比倫記載這個比例是25/8=3.125。中國西漢末年的《周髀算經》記載「周三徑一」,可見那時的中國人用簡單的整數3代表π。

古時候沒有電玩,有些智商比較高的宅男就關在房間裡,絞盡腦汁求出π的數值。真的,要很的宅的宅男才有耐心做得到。

古希臘的大數學家阿基米德利用外切和內接正多邊形「夾住」中間的圓形,圓形的周長不會超過外切多邊形,卻又比內接正多邊形的周長大,就可以算出圓形周長的範圍。因為多邊形的周長可以用三角的「畢氏定理」算出來,而且多邊形的邊數越多越趨近圓形。阿基米德從六邊形、十二邊形...算到了96邊形,發現π介於22/7和223/71之間(3.14084和3.14285之間)。你有這種耐心嗎,不妨試試把一個圓形切成96等分,看看是不是會被煩死。


阿基米德用外切和內接正多邊形「夾住」裡面的圓形,多邊形的邊數越多就約接近圓形,他最後使用96邊形,後來的劉徽當然不知道阿基米德是什麼碗公,不知道可以用內接和外切多邊形做三明治,但是卻使用了3072邊形。(資料來源:維基百科)

中國魏晉時期的數學家劉徽用內接3072邊形得到π≈(趨近於)3927/1250=3.1416,給今天的高中生寫作業已經綽綽有餘。200年後南北朝的祖沖之幾乎是中國的民族英雄,他算出π≈355/113=3.1415926。史書並沒有詳細說明他是怎麼算的,但是後人估計他需用內接24576邊形才能達到這個精確度。嗎呀,他真是有耐心,天天吃飽沒事做。這個精確度在一千年以後才被打破。

想要打破這種紀錄真不是人幹的,15世紀點荷蘭數學家Ludolph Van Ceulen花了40年時間,在臨終前計算到正262邊形,得出了小數點後35位的準確度。更可憐的是17世紀的William Shanks發表了小數點後707位的圓周率;後來證明由第527位以後是錯的。N年的青春全白費了,如果他地下有知,一定會大罵髒話。

後來的數學家發現更好更快的方法,不再用阿基米德的幾何法土法煉鋼。1593年的Francois Viète就發現可以用無窮級數算出圓周率:

計算到第25項就準確到小數點後第15位,只要算幾天就可以抵過前人好幾年的努力。後來更好的方法不斷推陳出新,16世紀的重量級數學家Euler發明的辦法,只需一小時就可達到小數點後20位的精確度,他也定調把“π”這個希臘字母代表圓周率。

時光荏苒,歷史上偉大的宅男們,謝謝你們鞠躬盡瘁的貢獻,可是我們不需要你了。歡迎進入電腦時代!

現代電腦先驅von Neumann等人在1949年利用世界上第1台真正的電腦ENIAC ,只用了 70 小時就算到小數點後2037位。其實精確到小數點後第40位就夠人類使用,不過為了人爽,就繼續算下去吧。到2014年底為止電腦已經算到小數點後第13,300,000,000,000位,如果把這個數字印成一般字體排好,它的長度可以環繞地球1000次!圓周率是一個無理數(或更精確一點,超越數),是沒有終點的,地球人甚至外星人的電腦都可以永無止境的算下去,直到宇宙的末了,即使用盡宇宙裡每一個原子當作一個位元(bit)也裝不下這個數字。


人類追求圓周率精確度的歷史,1950年以後藉著電腦突飛猛進。(資料來源:維基百科)

電視影集《Star Trek》有一集的劇情描述企業號上的電腦被外星人入侵,史巴克就要求電腦算出圓周率的最後一位數,好把它操死。

有人知道“3.1415927>π>3.1415926”怎麼翻譯成文言文嗎?從《隋書》記載祖沖之的事上可以拿到正解:: 「圓徑一丈,圓周盈數三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒七忽,朒數三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒六忽,正數在盈朒二限之間」~~徹底被打敗,做數學還要這麼文謅謅。


西雅圖市中心的雕塑“Pie in the sky"

想要知道這個節日的典故很如何慶祝嗎:可以參考看雲的《一起來慶祝“π節”(圓周率日)

參考資料:

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( 知識學習科學百科 )
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引用
引用網址:https://classic-blog.udn.com/article/trackback.jsp?uid=DrVader&aid=21464332
 引用者清單(1)  
2015/03/13 15:06 【行到水窮處,坐看雲起時】 一起慶祝圓周率日(π節)

 回應文章

KittiO
2015/03/16 04:35
祖沖之真是民族英雄,好可惜中國的科技沒有因為他而發達起來讓歐洲人搶先。我還記得3點15159沒還給老師,而且也吃了派慶祝!
火星情報總長(DrVader) 於 2015-03-16 13:21 回覆:
看到古書裡的數目字這麼麻煩,古代中國只怕沒幾個人願意學數學,只好等到阿拉伯數字傳到西方後再發揚光大了。希望你Pi Day全家吃Pie吃得快樂!

提琴
等級:8
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還可以拖更久
2015/03/14 02:01
蠻會賴皮的,何不乾脆說,要等到2018年的2月7日再寫算了
火星情報總長(DrVader) 於 2015-03-16 13:17 回覆:
e=2.718,到2018年2月7日再寫~~有道理耶!

看雲
等級:8
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2015/03/14 00:08
現在在台灣已經是3月14日,來當第一個賀 π 節的開心
火星情報總長(DrVader) 於 2015-03-16 13:14 回覆:
您是UDN格友裡重視Pi Day的第一名!

黃彥琳~~半夜訪客
等級:8
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2015/03/13 19:29
真是上知天文下知地理,太佩服了!
火星情報總長(DrVader) 於 2015-03-16 13:13 回覆:
害羞哎呀,現在有網路,只要有時間每個人都可以做到。

看雲
等級:8
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借引用
2015/03/13 15:12
昨天也想寫這個題目,總長解釋這麼詳細,我就狗尾續貂一下,寫寫慶祝活動
火星情報總長(DrVader) 於 2015-03-13 16:19 回覆:
太好了,我對這個節日的來龍去脈只知道個大概,看了你的文章才有更深入的了解。

提琴
等級:8
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2015/03/13 12:40

太棒了!提琴總算遇到大師,故而有個不情之請:

能否懇請火星總長再寫一篇關於 2.71828182845904523....... 的奧秘與應用?

火星情報總長(DrVader) 於 2015-03-13 16:15 回覆:

自然對數裡面的Euler's number!重要性比起圓周率有過之而無不及,您真內行。不過要等到明年2月7日再來寫。

哈哈哈