綜述
我們經常會看到一些智力測試的題目或者智力比拼的節目,其中常常將圓周率的記憶作為一個檢驗的指標,雖然看起來和智力沒有太多關係,不過確實能夠在一定程度上反映出這個人處理數字的能力。
目前的數學研究已經把圓周率算到了62.8萬億位,實在是令人難以想象的數字長度,我們也不禁要問,為什麼要計算到這麼遠的位數呢?有什麼意義嗎?
圓周率的歷史
圓周率是我們在中學數學中就開始接觸的知識,它的計算就是用一個圓形的周長與其直徑的相除,最後得出的結果就是所謂的圓周率π,這個數字屬於數學計算中的一個常數,因為它的比值是恆定不變的,所以我們也就可以依據它來處理很多問題。
你可能覺得這樣一個無限不循壞小數應該也只有現代數學才能處理了,但是圓周率的歷史其實要比很多人想象的早得多。
早在距今4000年前的古巴比倫時代就已經出現了有關它的記錄,比如在一塊石匾上就清楚地記錄了當時人的計算結果,雖然那個時候的研究水平還相對比較落後,但是已經得到了3.125這樣與π十分接近的數字,實在是令人非常驚奇。
而同樣年代的古埃及當中,也發現了一份嘗試對圓周率給出解釋和計算的紙草書,上面給出的結果是3.1605,雖然也存在了差不多0.02的誤差,但是明顯已經在向更準確的方向靠攏了。
除此之外,很多文化和宗教中的文本里面都對這個數字有過記載,像是古印度的《百道梵書》裡甚至給出了3.139這個更靠近準確結果的數字。
此後的歷史當中,對圓周率的研究也還在繼續進行著,比如我們最熟悉不過的阿基米德在這方面也有著很突出的成績。
相比於以往的研究歷史,它選擇了一個更加抽象的方法來切入,因為光是從一個具體的圖形中計算這個結果,很難得到那個準確的數字,而理論設計能夠實現無限靠近這樣的效果。
阿基米德採取的方法今天應該叫作迭代演算法和數值逼近,最後取了小數點後面的6位置,得到了3.141851。
中國古代也有著很多傑出的數學家和理論,他們也在生產生活中發現了這個常數的存在,並試圖透過各種方式來得到準確的結果,比如在著名的古書《周髀算經》當中,就已經將π值取了整數3。
這之後,漢朝的張衡進一步找到了新的計算方法,並且把這個數字精確到了3.162,誤差顯然是有的,不過比起整數3已經是一個非常大的跨越了。
在距今一千多年前,數學家劉徽發明了所謂的割圓術,從思考特點上看,非常接近阿基米德使用的數值逼近的方法,所以也就得到了一個更加準確的值,3.1416。
在精確程度上,π值計算的突破應該說首先是在中國取得的,它的創造者就是另一位傑出的數學家,祖沖之。
他在公元5世紀末的時候就已經把圓周率精確到了小數點的後7位,並且準確地描述出了兩個重要的近似數,一個是3.1415926,一個就是3.1415927,如果你也背過圓周率,那你應該知道,這個值可以說是準確度極高了。
不斷精確的意義
當然,這之後又陸續出現各種新的方法,比如分析法這樣的門派,但是直到進入計算機的時代,關於π值的計算才又上升到了一個新的層次,今天這個數字已經精確到了62.8萬億位。
把一個無限不迴圈小數精確到這個程度的意義是什麼呢?很多人其實都是無法理解的,就人類生產生活的經驗來看,祖沖之時代的6位精確度已經完全夠用了。
而即便是在那些對京都要求非常高的領域,比如航空航天的零部件,也只需要精確到後幾百位即可,至少在人類當前的發展階段,幾十萬億這樣的精度似乎並沒有什麼實用價值。
不過這也只是我們外行人的視角,就科學研究來說,他們要處理的不僅僅是宏觀層面的問題,還有相當一部分要解決的問題存在於微觀的維度上,而在這裡,小數點後面幾千位幾萬位的精度是家常便飯。
比如我們需要對一個計算機的效能進行綜合的分析的時候,計算圓周率就是一個很好的測試方法,比如計算機的執行速度,演算法準確性等等,因為計算機雖然能夠比較智慧化的處理一些問題,但這些都依賴於人類輸入的程式編碼,透過這些實驗也有助於人類不斷完善和開拓演算法以及思路。
當然,除了實證研究之外,圓周率的計算也是一種探討宇宙起源的方式。按照科學家的說法,宇宙中的天體和物質大部分都和圓這個要素有關,而且這個圓越是巨大,對於圓周率的精確度要求就越高。
反過來,我們對圓周率的推算越精準,在某種程度上也是在向一個無限大的存在靠近。
根據定義來說,圓是到一個頂點為某一定長的所有點的集合,我們利用圓規這樣的作圖工具也能得到一個標準的圓。
然而,一種更加大膽的觀點認為,世界上真正的圓形也許根本不存在,它只是一個無限接近圓的n邊形,如何證明這一點呢?
很簡單,圓既然是一種“正無限多邊形”,而無限具體也沒有一個固定數值,只能說,當多邊形的邊數越多也只能無限接近圓,所以圓只能稱得上是一種概念性的圖形。
結語
不過隨著圓周率的不斷精確,人們也發現了很多奇妙的排列組合。
我們知道圓周率是一個無限不迴圈的數字,也就是說任何數學的組合都有可能出現在裡面,比如目前發現的,有1到9的順序排列,根號二小數點後八位,或許有人還能找到自己的電話號碼。
所以無限在數學上是一個很難跨越的鴻溝,雖然人們已經能夠對無限的數字進行一些處理,但人類仍舊無法真正意義上的接觸到它。